Биология — наука о жизни. Основатели биологии и основные вехи в изучении живого мира. Лекция введение в биологию Методы биологических исследований
Зададимся следующим вопросом. Какую информацию нужно сообщить разумному и заинтересованному, но несведущему в биологии человеку, чтобы он начал более-менее разбираться в этой науке и мог понимать значение актуальных биологических открытий?
С сегодняшнего дня я попробую начать серию постов, отвечающих на этот вопрос. Предполагаемого адресата изложенной в них информации я берусь определить как "образованного небиолога". То есть это человек, имеющий мало-мальскую подготовку в какой-то другой области (с соответствующий привычкой разбираться в сложных вещах), но не имеющий никакой химической или биологической базы. Уровня "когда-то что-то учил в школе, но все забыл" для начала вполне хватит. Отбор материала, естественно, мой, и за пределами совсем уж азбуки он довольно субъективен. Там, где упоминается какая-то спорная или новая информация, я ставлю ссылки на статьи. Что касается названия всего цикла постов, то его можно было бы определить как "Введение в биологию", но на самом деле я бы добавил к слову "биология" прилагательное "клеточная", потому что волей-неволей 90% тех фактов, которые для начала нужно усвоить, относятся именно к клетке и ее составным частям.
Тема I
УГЛЕРОД
“Ничто в биологии не имеет смысла иначе как в свете эволюции” (). Этот тезис можно поставить в начале любого биологического учебного курса (по крайней мере вводного, потому что слушателям продвинутых курсов напоминать такие очевидности уже не требуется). Понимать его надо совершенно буквально, как руководство к действию. Любая особенность любой живой системы есть результат какого-то исторического события. Мы очень скоро увидим, что это касается даже такой в буквальном смысле элементарной вещи, как то, из каких атомов живые организмы состоят. А уж тем более - всего более сложного.
Вначале бросим беглый взгляд на эволюцию Вселенной в целом:
Временная шкала тут совершенно не в масштабе, но это пока неважно. Гораздо важнее, что эта схема выстраивает в единую последовательность события разного характера - от Большого взрыва до начавшейся на Земле в XVIII веке промышленной революции. Такой подход, объединяющий в единое повествование всю эволюцию от физической и химической до социальной, называется "большой историей" (Big History); вот примерно в его русле мы и будем двигаться. Пока отметим для себя даты всего лишь двух событий: Большого взрыва - то есть, по общепринятой космологии, возникновения Вселенной как таковой - и появления жизни на Земле. Большой взрыв произошел примерно 13,8 миллиардов лет назад, а первые следы жизни на Земле имеют возраст 3,8 миллиарда лет. Это означает, что к моменту появления жизни в Солнечной системе возраст Вселенной уже составлял около 10 миллиардов лет. И все это время там происходили разные события, иные из которых как раз и создали нужные для существования жизни предварительные условия. Жизнь не случайно возникла далеко не сразу; скорее всего, она могла бы и не возникнуть вообще, если бы физические процессы пошли немного другими путями.
Вот из чего состоит современная Вселенная:
Слово "современная" надо подчеркнуть, потому что несколько миллиардов лет назад соотношения совершенно точно были другими. На диаграмме мы видим три составляющих:
● Обычная материя, состоящая из атомов (4,9%).
● Темная материя, не проявляющая никаких наблюдаемых свойств, кроме гравитационных (26,8%).
● Темная энергия, про которую вообще неизвестно, связана ли она хоть с какими-нибудь телами (68,3%).
Все известные нам живые системы состоят из атомов. Примеры чего-то иного пока можно найти только в фантастической литературе - например, у Станислава Лема в "Солярисе" описаны живые организмы, собранные из нейтрино. А занимаясь обычной биологией, нам придется иметь дело исключительно с атомами и их устойчивыми комбинациями, то есть молекулами.
Итак, атомы. Уже довольно давно известно, что любой атом состоит из электронов, протонов и нейтронов:
Протоны и нейтроны образуют ядро атома, электроны - внешнюю оболочку. Протоны электрически заряжены положительно, электроны - отрицательно, нейтроны заряда не имеют; по величине отрицательный заряд электрона строго равен положительному заряду протона. Таким параметром, как число нейтронов, мы в большинстве случаем можем спокойно пренебречь (если только не будет специального разговора об изотопах). Электроны и протоны, наоборот, важны для нас с самого начала. Число протонов - параметр, который иначе называется атомным номером
(Z) и определяет положение данного типа атомов в периодической системе элементов, то есть в таблице Менделеева. Число электронов обычно равно числу протонов. Если число электронов вдруг отличается от числа протонов, значит, мы имеем дело с заряженной частицей - ионом
.
На картинке выше изображен приведенный исключительно для примера атом гелия (Z=2), в состав которого входят два протона, два нейтрона и два электрона. Самый простой атом - водород (Z=1) - состоит из одного протона и одного электрона; нейтронов в нем может и вовсе не быть. Если лишить атом водорода единственного электрона, останется положительно заряженный ион, представляющий собой не что иное, как протон.
Самый важный для нас тип взаимодействия атомов - ковалентная связь
, образуемая общей электронной парой (по одному электрону от каждого атома). Электроны этой пары принадлежат обоим атомам сразу. Кроме одинарных, ковалентные связи бывают двойными (в биологии довольно часто) или тройными (в биологии редко, но все-таки возможно).
Гораздо реже ковалентной (по крайней мере в биологии) встречается ионная связь
, представляющая собой электрическое притяжение самостоятельных заряженных частиц, то есть ионов. Положительный ион (катион)
и отрицательный ион (анион)
притягиваются друг к другу. Cам термин “ион” предложен Майклом Фарадеем (Michael Faraday) и происходит от греческого слова, означающего “идущий”. Пример ионной связи - поваренная соль NaCl, формулу которой вполне можно переписать как .
Чтобы в первом приближении разобраться в устройстве живой клетки, достаточно знать всего пять химических элементов: водород (H), углерод (C), кислород (O), азот (N) и фосфор (P). Самое главное, что нам необходимо знать о любом элементе - это его валентность
, то есть число ковалентных связей, которые может образовать данный атом. Валентность водорода равна 1, валентность углерода 4, валентность азота 3, валентность кислорода 2 и валентность фосфора 5. Эти числа надо просто запомнить. У некоторых перечисленных элементов иногда встречаются и другие валентности, но, занимаясь биологией, это можно игнорировать во всех случаях, кроме немногочисленных особо оговоренных.
Вот они, основные химические слагаемые жизни. Валентности этих элементов настолько важны, что повторим их еще раз: водород - 1, углерод - 4, кислород - 2, азот - 3, фосфор - 5. Каждая черточка обозначает одну ковалентную связь.
Не подлежит сомнению, что большинство атомов во Вселенной - это атомы водорода и гелия. Числа на приведенной картинке относятся не к современной Вселенной, а к состоянию примерно 13 миллиардов лет назад (Caffau et al., 2011). Но и сейчас все элементы, кроме водорода и гелия, составляют в сумме не больше 2% атомов. Между тем очевидно, что из водорода, валентность которого всего лишь 1, и гелия, который вообще неохотно образует химические связи, никаких сложных молекул не построишь.
Посмотрев на график обилия химических элементов во Вселенной, мы сразу же видим, что самые распространенные после водорода и гелия элементы - кислород, углерод и азот.
По горизонтальной оси на этом графике атомный номер, по вертикальной - распространенность элемента в логарифмическом масштабе - это означает, что “ступенька” на вертикальной оси означает разницу не на единицу, а в 10 раз. Очень хорошо видно, насколько водород и гелий превосходят своим количеством все другие элементы. В области лития, бериллия и бора - провал, потому что эти ядра неустойчивы по своим физическим свойствам: они относительно легко синтезируются, но так же легко и распадаются. Ядро железа, наоборот, крайне устойчиво; многие ядерные реакции на нем заканчиваются, поэтому железо дает высокий пик. Но самые распространенные после водорода и гелия элементы - все равно кислород, углерод и азот. Именно те, которые стали химическими “кирпичиками” жизни. Вряд ли это случайность.
Бросается в глаза, что предыдущий график отчетливо зубчатый. Элементы с четными номерами в среднем встречаются намного чаще, чем элементы “примерно того же достоинства” с нечетными. Первым это отметил Уильям Дрэпер Харкинс (William Draper Harkins), и он же предложил разгадку: дело в том, что ядра тяжелых элементов образуются в основном за счет слияния более простых ядер. Очевидно, что при объединении двух одинаковых ядер в любом случае получится элемент с четным числом протонов, то есть с четным атомным номером (Harkins, 1931). Дальше образовавшиеся ядра комбинируются друг с другом - например, горение гелия (Z=2) дает сначала неустойчивые короткоживущие ядра бериллия (Z=4), потом ядра углерода (Z=6), а потом и кислорода (Z=8).
До начала звездообразования во Вселенной были только водород, гелий и следовые количества лития (у которого Z=3). Все элементы тяжелее лития синтезируются внутри звезд и распространяются в результате взрывов сверхновых (Burbidge et al., 1957). Это означает, что живым системам было просто не из чего образоваться, пока не закончился жизненный цикл хотя бы первого поколения звезд и эти звезды не взорвались.
Вот авторы знаменитой статьи о синтезе химических элементов в звездах: Маргарет Бербидж (Eleanor Margaret Burbidge), Джеффри Бербидж (Geoffrey Ronald Burbidge), Уильям Фаулер (William Alfred Fowler) и Фред Хойл (Fred Hoyle). Эту статью часто называют по инициалам авторов “B 2 FH” ("бэ-квадрат-эф-аш"). На фотографии запечатлен 60-й день рождения Фаулера - коллеги подарили ему действующую модель паровоза.
Статья B 2 FH опровергла гипотезу Георгия Гамова (George Gamov), который считал, что ядра всех элементов синтезировались прямо во время Большого взрыва и с тех пор их концентрации остаются постоянными. На самом деле гораздо вероятнее, что в первые миллиарды лет после Большого взрыва Вселенная была водородно-гелиевой, а потом стала постепенно обогащаться тяжелыми элементами с помощью сверхновых звезд. "Тяжелыми элементами" мы сейчас называем все, что тяжелее гелия или, в крайнем случае, лития.
Примерно так выглядит простейшая схема влияния сверхновых звезд на элементный состав Вселенной. Нельзя не заметить, что теория B 2 FH (если она верна) сама по себе является полностью достаточным доказательством эволюции, и была бы таковым, даже если бы никаких чисто биологических доказательств не существовало. В древней водородно-гелиевой Вселенной никакой жизни возникнуть не могло. Эволюция - это космологический факт, имеющий такое же отношение к физике и химии, как и к биологии.
Химия известных нам живых систем целиком основана на соединениях углерода. Самое простое из них - метан (CH 4), молекула которого изображена здесь четырьмя разными способами. На первой картинке показаны очертания электронных облаков. На второй - расположение атомов в объеме и углы между химическими связями. На третьей - электронные пары, которые эти связи образуют. А четвертая картинка - это простейшая графическая формула. Каждая ковалентная связь на ней обозначена черточкой. Дальше мы в основном именно такими формулами и будем пользоваться.
Соединения, состоящие только из углерода и водорода, называются углеводородами . Как правило, они биохимически неактивны. Большинство соединений углерода, участвующих в обмене веществ, содержит как минимум еще и кислород, то есть к углеводородам не относится. На картинке изображены четыре самых простых углеводорода - метан (CH 4), этан (C 2 H 6), пропан (C 3 H 8) и бутан (C 4 H 10).
Четырехвалентность углерода открыл Фридрих Август Кекуле (Friedrich August Kekule). Вскоре он применил это знание, определив структурную формулу бензола (C 6 H 6); именно в процессе этой работы ему приснился знаменитый сон про несколько переплетающихся змей. Но значение открытий Кекуле на самом деле гораздо больше. Четырехвалентность углерода - один из важнейших фактов, помогающих понять, как в целом устроены живые системы.
Что касается молекулы бензола, то она, как видим, содержит шесть атомов углерода, соединенных в шестичленный цикл с чередующимися одинарными и двойными связями. Однако на самом деле все шесть связей между атомами углерода в бензоле одинаковы: электроны, образующие двойные связи, делокализованы (“размазаны”) между ними, и в результате можно сказать, что все эти связи - как бы "полуторные".
Структура, заключенная тут внутри уробороса, называется бензольным кольцом или ароматическим ядром . Атомы углерода и водорода в нем уже не подписаны, поскольку их расположение очевидно. Ароматическое ядро часто входит в состав других молекул, в том числе и биологически активных. Обозначать его принято шестиугольником с кругом внутри - этот круг символизирует систему из трех взаимодействующих между собой двойных связей.
Соединения углерода, включающие группу -OH, называются спиртами
. Саму группу -OH принято называть гидроксильной
. Общую формулу спирта можно записать как R-OH, где R - любой углеводородный радикал (радикалом в химии называют изменяемую часть молекулы). На картинке - два самых простых спирта: метиловый (метанол) и этиловый (этанол).
Вот тут перед нами глицерин - пример спирта, в котором гидроксильных групп несколько. Такие спирты принято называть многоатомными . Глицерин - трехатомный спирт. С его участием образуются жиры и некоторые другие важные для клеток соединения.
Этанол (слева) и диметиловый эфир (справа) состоят из одинакового набора атомов (C 2 H 6 O), но имеют разную структуру. Такие соединения называются изомерами
.
Класс соединений, к которому относится диметиловый эфир, называется простыми эфирами
. Они имеют общую формулу R 1 -O-R 2 , где R - углеводородные радикалы (во всех подобных случаях они могут быть как одинаковыми, так и разными).
Еще два важных класса соединений - альдегиды
(общая формула R-CO-H) и кетоны
(общая формула R 1 -CO-R 2). R (радикал) тут может обозначать любую углеводородную цепочку. И альдегиды, и кетоны включают группу -CO-, состоящую из углерода с присоединенным к нему двойной связью кислородом и двумя свободными валентностями. Если хотя бы одна из этих валентностей занята водородом, то перед нами альдегид, если же обе заняты углеводородными радикалами - то кетон. Например, самый простой из всех возможных кетонов называется ацетоном и имеет формулу CH 3 -CO-CH 3 .
Многоатомный спирт, одновременно являющийся альдегидом или кетоном, называется углеводом
. Например, глюкоза - типичный углевод, альдегидоспирт с цепочкой из шести атомов углерода и пятью гидроксильными группами. И фруктоза - тоже типичный углевод, тоже имеющий цепочку из шести атомов углерода и пять гидроксильных групп, но она не альдегидоспирт, а кетоноспирт. При этом легко убедиться, что глюкоза и фруктоза - изомеры с общей формулой C 6 H 12 O 6 . А вот если у глюкозы (или ее изомера) один углерод отнять, то может получиться рибоза - альдегидоспирт с пятью углеродами в цепочке, четырьмя гидроксильными группами и формулой C 5 H 10 O 5 . Как видим, все довольно просто.
Примечание.
Постоянные оговорки насчет изомеров связаны с тем, что у углеводов развит один особый вид изомерии - оптическая изомерия, которая связана исключительно с пространственным расположением атомов. На обычных графических формулах этот вид изомерии вообще не отображается, и это может привести к тому, что одна и та же графическая формула будет соответствовать нескольким совершенно разным по свойствам веществам. Но пока что мы про оптическую изомерию ничего не знаем и можем эти факты со спокойной душой игнорировать. Сказано глюкоза - значит глюкоза. Набор функциональных групп у нее уж точно такой, как тут нарисовано, а как они повернуты, нас сейчас не волнует.
Исключительно важным и интересным классом соединений являются карбоновые кислоты
(R-COOH). Как видно из формул, в состав любой карбоновой кислоты по определению входит карбоксильная группа
-CO-OH. Почему такие соединения называются именно "кислотами", мы разберемся позже; пока что будет достаточно запомнить название "карбоновые кислоты" как нечто самоценное, считая слово "кислота" частью этого названия. Самая простая карбоновая кислота - муравьиная, у которой вместо радикала вообще водород. Но обычно радикал карбоновой кислоты представляет собой более или менее сложную углеводородную цепочку. Уксусная кислота, имеющая в радикале всего один атом углерода, нарисована тут двумя способами, которые обозначают ровно одно и то же.
Обведенная на формулах зеленой рамкой группа -CH 3 называется метильной
. Она встречается не только в кислотах, а вообще во всевозможных классах веществ, где есть хоть какие-то углеводородные радикалы; мы уже видели ее ну хотя бы в ацетоне, где таких групп две. Можно сказать, что метильная группа - это простейший химический "кирпичик", на который разные более-менее сложные соединения углерода могут различаться между собой. Каких-то особых самостоятельных свойств она не имеет. С другой стороны, даже отличие на одну метильную группу иногда бывает очень важно - мы это увидим. 
Вот тут перед нами две относительно экзотические, но вполне реально встречающиеся в живых организмах карбоновые кислоты. Их формулы нарисованы в немного разном стиле, к этому стоит привыкнуть. Щавелевая кислота, молекула которой представляет собой две соединенные встык карбоксильные группы, действительно содержится в щавеле, ревене и некоторых других растениях. Бензойная кислота имеет в качестве радикала ароматическое ядро; она тоже содержится во многих растениях, например в бруснике и клюкве, а также служит широко распространенным консервантом (пищевая добавка E210).
Карбоновая кислота и спирт могут вступить в реакцию, при которой от карбоксильной группы отщепляется -OH, а от спиртовой -H. Эти отщепленные фрагменты тут же образуют воду (формула которой H-O-H или H 2 O), а остатки кислоты и спирта соединяются в сложный эфир
(общая формула R 1 -CO-O-R 2). Среди биологически активных соединений сложных эфиров достаточно много. Надо заметить, что сложные эфиры и простые эфиры - это совершенно разные классы веществ; по-английски, например, они обозначаются разными корнями - соответственно ester (сложный эфир) и ether (простой эфир). На картинке для примера показан сложный эфир под названием метилбензоат.
А теперь посмотрим вот на эту великолепную молекулу. Лимонная кислота, формально говоря, является одновременно кислотой и спиртом - она имеет при трехуглеродной цепочке три карбоксильные группы (как кислота) и одну гидроксильную группу (как спирт). Такие соединения называют спиртокислотами или (чаще) оксикислотами. Лимонная кислота взята здесь исключительно для примера, хотя вообще-то она интересна и сама по себе, как важнейший промежуточный продукт в клеточном дыхании.
Если вам кажется, что много формул - не пугайтесь. Дальше будет еще больше. В этой области чем больше формул - тем понятнее. Так что я сознательно устраиваю тут "зоологический сад молекул", подобно "зоологическому саду планет", о котором говорил Гумилев.
ЛЕКЦИЯ № 1
Введение
Биология (от греч. в ios – жизнь и l ogos – учение, наука) изучает жизнь во всех проявлениях: строение и развитие живых организмов, их функции, взаимоотношения друг с другом и с окружающей средой. Биология относится к группе естественных наук наряду с математикой, физикой, химией и пр., объектом изучения которых является природа.
Термин «биология» впервые употребил в 1797 г Теодор Руз , а введен был в 1802 году Ж.Б.Ламарком для обозначения науки о жизни как особом явлении природы.
Современная биология – это интегрированная наука, комплекс наук, изучающих живую природу как особую форму движения материи, законы её существования и развития.
Общая биология – наука, изучающая общие свойства и закономерности развития живой природы.
Классификация биологических наук:
в зависимости от предмета исследования
1. микробиология (царство бактерий)
2. ботаника (царство растений)
3. зоология (царство животных)
4. микология (царство грибов)
5. орнитология (птицы)
6. лихенология (лишайники)
7. вирусология (вирусы)
8. бриология (мхи)
9. альгеология (водоросли)
10. ихтиология (рыбы)
11. энтомология (насекомые)
12. териология (млекопитающие)
в зависимости от изучения определенной стороны жизнедеятельности
(специальные науки)
1. эмбриология
2. генетика
3. физиология
4. экология
5. дарвинизм
6. этология
науки, изучающие морфологические особенности организмов
(сквозные науки)
1. анатомия
2. цитология
3. гистология
интегрированные науки
:
1. биофизика
2. биохимия
3. молекулярная биология
4. генная и клеточная инженерия
5. биотехнология
Определение жизни
Объектом исследования общей биологии является жизнь – одна из высших форм движения материи, одна из альтернативных форм существования объективной реальности .
К материи относится все частицы и поля, из которых состоит окружающий нас мир. Материя непрерывно изменяется, движется. К низшим формам движения материи относятся физико-механическое и химическое, к высшим – биологическое и социальное.
Объективная реальность – это все то, что существует независимо от нашего сознания, независимо от наших взглядов, знаний, желаний. К объективной реальности относится материя, а также связанные с ней идеальные (нематериальные) явления и процессы, например, информация. С точки зрения биологии, объективная реальность существует одновременно в двух альтернативных формах: живой и неживой.
Классическое определение жизни дал Ф. Энгельс: «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 ».
В настоящее время для определения жизни широко используется системный подход. Система – это определенным образом организованная совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, образующих единое целое. При этом свойства всей системы несводимы к сумме свойств составляющих её элементов.
На основе системного подхода можно дать следующее определение жизни (по М. В. Волькенштейну): «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот ».
Однако приведенные определения жизни, основанные на биохимическом подходе, не охватывают всего многообразия различий между живым и неживым. Биологические системы обладают рядом существенных особенностей, которые в неживых системах или вообще не обнаруживаются, или встречаются как исключение.
Единство химического состава – одинаковые хим. элементы входят в состав живой и неживой природы, но их соотношение неодинаковое.
Основные свойства (критерии) живых организмов:
Высокоупорядоченное строение (молекулы БЖУ, клетка – единица структурная и функциональная, организм и т.д.)
Энергозависимость – организм – это открытая система.
Обмен веществ и энергии - метаболизм (ассимиляция и диссимиляция, обмен обеспечивает гомеостаз)
Рост и развитие (развитие живой материи представлено онтогенезом и филогенезом). Закономерные изменения организмов во времени называют развитием.
Самовоспроизведение - репродукция, размножение (половое и бесполое)
Наследственность и изменчивость
Саморегуляция – способность сохранять основные черты строения и функционирования при изменении окружающей среды
Адаптация (приспособления)– особенности строения, функций и поведения соответствуют образу жизни. Биологическая целесообразность – относительная приспособленность к условиям существования.
Ритмичность – периодические изменения интенсивности физиологических функций, связанных с различными периодами колебаний (суточные и сезонные)
Раздражимость – ответная избирательная реакция организма на раздражение (внешнее воздействие)***
Дискретность и целостность (лат. Discretus – прерывистый, состоящий из частей) – любая биосистема состоит из отдельных взаимодействующих частей, образующих структурно-функциональное единство.
Каждый организм, построенный из отдельных элементов, ведет себя в своей жизнедеятельности и взаимоотношениях со средой как единое целое, как система .
РАЗДРАЖИМОСТЬ
ТРОПИЗМЫ
РЕФЛЕКСЫ
Изменения характера роста растений, (перемещение части растения, вызываемое и направляемое внешним стимулом)
Изменение характера движения (перемещение клетки или всего организма, вызываемое внешним стимулом.)
Ненаправленное движение части растения ответ на внешнее раздражение
Ответная реакция организма на раздражение, осуществляемая и контролируемая ЦНС.
Гелиотропизм (фототропизм)
(побеги «+», корни «-»)
Геотропизм
(побеги «-», корни «+»)
Хемотропизм
(корни «+»)
Гидротропизм
(корни «+»)
Аэротропизм
(пыльцевые трубки «-», корни «+»)
Гаптотропизм
(твердая поверхность)
«+» усики гороха к опоре
Фототаксис
«+» растения,эвглена
«-» тараканы, мокрицы)
Хемотаксис
«+» сперматозоид к яйцеклетке
«-» комар – репелленты
Аэротаксис
«+» бактерии аэробы
Геотаксис (сила тяжести)
«+»личинки планулы кишечнополостых опускаются на дно,
«-»личинки эфиры кишечнополостных всплывают к поверхности воды
Магнитотаксис
Реотаксис (сопротивление среды)
«+»бабочки летят против ветра
Безусловные
условные
Уровни организации живой материи:
1. Молекулярно-генетический уровень
На этом уровне происходит хранение, воспроизведение и начальная реализация наследственной информации . При хранении и воспроизведении наследственной информации возникают мутации – случайные, ненаправленные изменения генетического материала.
2. Клеточный уровень
Клетка – это элементарная биологическая система, обладающая всеми свойствами и признаками жизни. В сущности, жизнь начинается с клетки. На клеточном уровне протекают все обменные процессы. Упорядоченность и физиологическое единство обменных процессов обеспечиваются самой морфологической организацией клетки.
3. Онтогенетический (организменный) уровень
Онтогенезом называется индивидуальное развитие организма с момента образования зиготы до гибели этого организма. В ходе развития формируются все признаки организма, составляющие его фенотип , то есть полностью завершается реализация наследственной информации . Поэтому именно онтогенез является объектом действия естественного отбора.
4. Популяционно-видовой уровень
Популяции являются конкретной формой существования видов, поэтому популяционный и видовой уровень объединяют вместе. На популяционно-видовом уровне в ходе естественного отбора происходит дифференциальное (неодинаковое) воспроизведение генотипов, изменяется генотипическая структура популяций, протекает эволюция видов .
5. Биогеоценотический уровень (биоценоз+экотоп=биогеоценоз)
Этот уровень включает конкретные естественноисторические сообщества организмов в единстве с их средой обитания. В биогеоценозах происходит круговорот веществ и поток энергии . Популяции разных видов взаимодействуют между собой и эволюционируют в составе конкретных биогеоценозов («биогеоценоз – арена первичных эволюционных преобразований»). Поскольку эволюционируют популяции, постольку эволюционируют и биогеоценозы.
6. Биосферный уровень (толщина биосферы 20-40 км)
Совокупность всех биогеоценозов образует биосферу. Биосфера – это геологическая оболочка Земли, сформировавшаяся в результате деятельности биологических систем. В результате исторического развития органического мира Земли осуществляется глобальный круговорот веществ с переносом и трансформацией энергии. Следовательно, на биосферном уровне жизнь выступает как космическое явление .
Все перечисленные уровни образуют иерархичную систему (соподчинение), в которой каждый уровень характеризуется собственной спецификой, а явления одного уровня не могут быть описаны на других уровнях.
Уровни организации
Биосистема
Элементы, образующие систему
Основные процессы
1. Молекулярный
атомы и молекулы БЖУ
Хранение, воспроизводство и начальная реализация наследственной информации(биосинтез белка)
2. Клеточный
органоиды
Способность к воспроизведению, запас и расход энергии, вкл различных хим.элементов в состав клетки
3. Организменный
(онтогенетический)
организм
системы органов
Процессы онтогенеза: реализация наследственной информации, формируются характерные особенности данного вида.
4. Популяционно-видовой
популяция
(генетически открытые системы)
Рождаемость, смертность, выживаемость, структура популяции, плотность, численность.
Изменчивость и естественный отбор
5. Биогеоценотический
биогеоценоз
популяции
Потоки энергии и круговорот веществ
6. Биосферный
биосфера
биогеоценозы
Взаимодействие живого и неживого, влияние хоз. деятельности человека на природу, биологический круговорот веществ и энергии в масштабах всей планеты.
Методы изучения биологии:
Наблюдение – МИЖП в обычной обстановке
Описание
Сравнение – нахождение общих закономерностей и различий.
Исторический – МИЖП, при котором познание процессов развития живой природы строится на основе данных о современном органическом мире и его прошлом.
Эксперимент (опыт) – МИЖП в специально измененных человеком условиях.
Моделирование – имитирование процессов, недоступных для наблюдения или экспериментального воспроизведения.
Инструментальный – микроскопия, центрифугирование, радиолакация.
Методы изучения клетки:
Световая микроскопия (увеличение до 3000 раз)
Электронная микроскопия (увеличение в десятки и сотни тысяч раз)
Изучение фиксированных клеток:
-цитохимический метод (исследование химической организации клетки и процессов обмена веществ)
-метод авторадиографии (изучение биохимических процессов в динамике – введение в клетку радиоактивных изотопов)
Витальное (прижизненное) изучение клеток (изучение свободноживущих простейших организмов, клеток культуры тканей и клетки крови)
Метод культуры тканей (изучение клеток, способных к автономному росту)
Метод фракционирования клетки (дифференциальное ультрацентрифугирование)
Рентгеноструктурный анализ (изучение конфигурации молекул белка, нуклеиновых кислот.)
Микрохирургия (операции на клетке и органоидах)
Методы изучения человека:
Генеалогический
Близнецовый
Цитогенетический
Популяционно-статистический
Биохимический
Значение биологии:
Вот уже несколько десятилетий человечество является свидетелем бурного прогресса биологии. Именно от биологии ждут решения важных проблем, связанных с сохранением окружающей среды, обеспечением продовольствием, здоровьем людей.
Области применения биологических знаний:
селекция
агрономия и агротехника (биологические методы борьбы с вредителями)
медицинская генетика (ранняя диагностика, профилактика и лечение наследственных заболеваний)
генная и клеточная инженерия – методы промышленного получения БАВ (ген, отвечающий за выработку инсулина встроен в геном кишечной палочки, получение соматропина – гормона роста, вакцин и иммуногенных препаратов, замещение дефектных генов)
биотехнология (практическое использование достижений биологии в промышленных масштабах) бионика (принципы строения живых система используются в машиностроении, кораблестроении, создании уникальных механизмов и приборов)
охрана природы, экология, рациональное использование природных ресурсов
В современном органическом мире выделяют неклеточные и клеточные формы жизни.
Неклеточные формы: царство Вирусы (ДНК и РНК содержащие)
Клеточные формы: Прокариоты – царство Бактерии, Эукариоты – царства Р, Г и Ж
Лекция 1. Введение в науку биология
1. Предмет биологии. Классификация биологических наук
2. Методы изучения (исследования) биологии
3. Основные свойства живых существ. Определение понятия «жизнь»
4. Уровни организации живого
Предмет биологии. Классификация биологических наук
Термин «биология» образуется из двух греческих слов (bios - жизнь и logos - учение).
Термин был введен в 1802 году двумя естествоиспытателями - Ж.Б. Ламарком и Г.Р. Тревиранусом, независимо друг от друга.
Биология изучает общие закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие.
Биология - комплексная наука. Разделы науки биологии классифицируются по следующим направлениям:
1) изучению систематических групп (по объектам исследования). Например, зоология, ботаника, вирусология.
В пределах этих наук имеются узкие направления (или дисциплины). Например, в зоологии выделяют протозоологию, гельминтологию, энтомологию и др.
2) изучению разных уровней организации живого: молекулярная биология, гистология и др.
3) свойствам и проявлениям жизни отдельных организмов. Например, физиология, генетика, экология.
4) связям с другими науками (в результате интеграции наук). Это биохимия, биофизика, биотехнология, радиобиология и др.
Методы изучения биологии
Основными методами, которые используются в биологических науках, являются:
1) наблюдение и описание - самый старый (традиционный) метод биологии. Этот метод широко используется и в наше время (в зоологии, ботанике, цитологии, экологии и др.)
2) сравнение, т.е. сравнительный метод дает возможность найти сходства и различия, общие закономерности в строении организмов.
3) опыт или эксперимент. Например, опыты Г.Менделя или работы И.П.Павлова в физиологии.
4) моделирование - создание определенной модели или процессов и их изучения. Например, моделирование условий и процессов (недоступных наблюдению) происхождения жизни.
5) исторический метод - изучение закономерности появления и развития организмов
Основные свойства живого
Живые существа отличаются от неживых тел целым рядом свойств. К основным свойствам живого относятся:
Специфическая организация.
Живые организмы обладают необходимыми структурами, обеспечивающими их жизнедеятельность.
Специфическая организация живых существ проявляется и в особенности химического состава. Из химических элементов большая доля приходится на кислород, углерод, водород, азот. В сумме они составляют более 98% химического состава. Эти элементы образуют в живых организмах сложные органические соединения - белки, жиры, нуклеиновые кислоты, углеводы, которые не встречаются в неживой природе.
Обмен веществ и энергии.
Организмы постоянно совершают обмен веществ и энергии с окружающей средой - это обязательное условие существования.
Обмен веществ и энергии слагается из 2х процессов:
а) синтеза или ассимиляции, или пластического обмен (с поглощением энергии).
б) распада или диссимиляции, или энергетического обмена (с выделением энергии)
Гомеостаз - поддержание постоянства внутренней среды.
В живых существах протекают сложные саморегулирующиеся процессы, которые идут в строго определенном порядке и направлены на поддержание постоянства внутренней среды (например, на постоянство химического состава). При этом организм находится в состоянии динамического равновесия (т.е. подвижного равновесия), что важно при существовании в меняющихся условиях среды.
Размножение
Размножение - свойство организмов воспроизводить себе подобных. Каждое живое существо имеет ограниченный срок жизни, но, оставляя после себя потомство, обеспечивает непрерывность и приемственность жизни.
Способность к развитию - изменение объектов живой природы.
Индивидуальное развитие (онтогенез) - развитие особи в большинстве случаев начинается от зиготы (оплодотворенной яйцеклетки) или от деления материнской клетки до конца жизни. В ходе онтогенеза происходит рост, дифференцировка клеток, тканей, органов, взаимодействие отдельных частей. Продолжительность жизни особей ограничивается процессами старения, приводящими к смерти.
Филогенез - историческое развитие мира живых организмов.
Филогенез - это необратимое и направленное развитие живой природы, которое сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом исторического развития является разнообразие живых существ.
Раздражимость.
Раздражимость - способность организма отвечать на воздействия определенными реакциями. Формой проявления раздражимости является движение.
У растений - тропизм (например, изменение положения листьев в пространстве из-за освещенности - фототропизм).
У одноклеточных животных - таксисы.
Реакции многоклеточных на раздражение осуществляются с помощью нервной системы и называются рефлексами.
Наследственность.
Наследственность - свойство организмов передавать из поколения в поколение характерные признаки вида с помощью носителей наследственной информации, молекул ДНК и РНК.
Изменчивость.
Изменчивость - это свойство организмов приобретать новые признаки. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора.
На основании свойств живого ученые пытаются дать определение понятию «жизнь». Современному состоянию развития биологии лучше всего соответствует определение жизни, данное ученым - биофизиком М.В. Волькенштейном: «Живые тела представляют собой открытые саморегулирующиеся, самовоспроизводящиеся системы, построенные из полимеров - белков и нуклеиновых кислот и поддерживающие свое существование в результате обмена веществ и энергии с окружающей средой».
В это определение входят признаки живого. Каждая клетка и организм в целом являются системой, т.е. представляют собой совокупность взаимодействующих, упорядоченных структур (органоидов, клеток тканей, органов). Живые существа - это открытые системы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с внешней средой. Живые существа осуществляют непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой (поглощение и выделение, ассимиляция и диссимиляция).
Уровни организации живых существ
Жизнь на Земле представляет собой целостную систему, состоящую из различных структурных уровней организации биологических существ. Выделяют несколько основных уровней организации (разделение имеет условный характер)
Молекулярно генетический.
Биология начинается с молекулярного уровня, т.к. атомный уровень не несет следов биологической специфичности. Этот уровень исследует молекулы ДНК, РНК, белки, гены и их роль в хранении и передаче генетической информации, в обмене веществ и превращении энергии. Биология изучает законы, характерные для этого уровня.
Клеточный.
Структурной, функциональной и генетической единицей живых существ является клетка. Вирусы, будучи неклеточной формой организации живого, проявляют свои свойства как живые организмы только внедрившись в клетки.
На клеточном уровне изучают строение клеток и клеточных компонентов, самовоспроизведение, реализацию наследственной информации, обмен веществ и энергии, происходящих на уровне клетки.
Организменный.
Структурной единицей на этом уровне служит организм, особь. Организм - самостоятельно существующая в среде система. На этом уровне протекают процессы онтогенеза. В ходе онтогенеза реализуется наследственная информация в определенных условиях внешней среды, т.е. формируется фенотип организма данного биологического вида.
Популяционно-видовой.
Элементарной единицей вида является популяция. На этом уровне изучается обмен генетической информации при скрещивании, изменения генетического состава популяций, факторы, влияющие на динамику генетического состава популяций, проблемы сохранения исчезающего вида.
Экосистемный.
Структурной единицей этого уровня являются экосистемы, под которыми понимаются участки земной поверхности с определенными природно-климатическими условиями и связанные с ними сообщества микроорганизмов, животных и растений, которые образуют неразделимый взаимообусловленный комплекс. Этот уровень изучает круговорот веществ и поток энергии, которые связаны с жизнедеятельностью всех живых организмов. Экосистемы составляют биосферу - область распространения жизни на Земле. Выделяют социальный уровень, характерный для человека.
Все уровни организации тесно объединены между собой, что свидетельствует о целостности живой природы. Без биологических процессов, которые осуществляются на этих уровнях, невозможно существование жизни на Земле.
Человек и все человечество - составляющая часть биосферы. Здоровье человека зависит от состояния биосферы, от умения приспосабливаться к меняющимся условиям среды. Если эта способность проявляется недостаточно, то могут возникнуть нарушения, которые затрагивают различные уровни жизни (клеточный, организменный).
Биология – наука о жизни, ее формах и закономерностях развития.
Термин «биология» предложил Г. Тревиранус в 1802г.
Предметом изучения является многообразие вымерших (палеонтология ) и ныне населяющих Землю живых существ (неонтология ), их строение, функции, происхождение, индивидуальное развитие, эволюцию, распространение, взаимоотношения друг с другом и окружающей средой.
Биология исследует общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях и свойствах: обмен веществ и энергии, размножение, наследственность и изменчивость, рост и развитие, раздражимость, дискретность, саморегуляцию, движение и др.
В многообразие организмов и распределение их по группам вносит порядок систематика животных и растений.
По структуре, свойствам и проявлениям индивидуальной жизни в биологии выделяют:
· морфологию – изучает формы и строение организма;
· физиологию – анализирует функции живых организмов, их взаимосвязь и зависимость от внешних и внутренних условий;
· генетику – изучает закономерности наследственности и изменчивости организмов;
· биологию развития – изучает закономерности индивидуального развития организмов;
· эволюционное учение – исследует закономерности исторического развития органического мира;
· экологию – изучает образ жизни растений и животных в их взаимосвязи с условиями окружающей среды, и др.
В частных разделах биологии (микробиология, приматология и др.) исследуются особенности строения и жизнедеятельности каждого отдельного вида. В общих разделах изучают свойства, присущие всем организмам данной формы живого. Молекулярная биология изучает жизненные явления на молекулярном уровне; цитология - структуру и функции клеток; гистология структуру и функции тканей; анатомия структуру и функции органов. Популяционная генетика и экология – изучает популяцию и биологические особенности всех организмов, входящие в их состав;
Биогеоценология – изучает закономерности формирования, функции, взаимосвязь и развитие высших структурных уровней организации жизни на Земле до биосферы в целом.
Химические реакции и физико-химические процессы в живых организмах, а также химическое состояние и физическую структуру биологических систем, на всех уровнях их организации, изучают биохимия и биофизика .
Установить закономерность, незаметные при описании единичных процессов и явлений, позволяет биометрия, т.е. совокупность приемов планирования и обработка результатов биологических исследований методами математической статистики .
Астробиология – исследование жизни вне земли.
Генная инженерия – комплекс приемов, с помощью которых можно создавать организмы с новыми, в т.ч. и с не встречающимися в природе, комбинациями наследственных признаков и свойств.
Методы биологии:
- наблюдение – позволяет описать биологические явления;
- сравнение – дает возможность найти общие закономерности в строение и жизнедеятельности различных организмов;
- эксперимент (опыт) – помогает изучить свойства биологических объектов;
- моделирование – имитируются процессы, недоступные для непосредственного наблюдения экспериментального воспроизведения;
- исторический метод – позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом познать процессы развития живой природы.
Значение биологии:
ü благодаря генетике и селекции можно создавать высокопродуктивные сорта культурных растений и породы домашних животных, что позволяет интенсивно вести с/х и удовлетворить потребности населения планеты в пищевых ресурсах.
ü в промышленности достижения современной биологии нашли применение в биологическом синтезе аминокислот, кормовых белков, ферментов, витаминов, стимуляторов роста и средств защиты растений и др.
ü с помощью генной инженерии создаются организмы с новыми комбинациями наследственных признаков и свойств, с повышенной устойчивостью к заболеваниям, засолению почв;
ü биотехнология – производство биологически-активных веществ (инсулин, а/б, интерферон, вакцины для профилактики инфекционных заболеваний человека и животных).
Формы существования живой материи .
Все живые организмы, обитающие на Земле, разделены на 2 группы:
1. Неклеточные формы
ü бактериофаги – группа вирусов, поражающих бактерии.
2. Клеточные формы
ü прокариоты – примитивные, просто устроенные клетки, с неоформленным ядром, представленные бактериями и сине-зелеными водорослями (цианобактерии).
ü эукариоты – клетки от простейших до клеток высших растений и млекопитающих, отличаются и сложностью, и разнообразием структуры.
