ТЕМЫ
• Краткая история развития биологии. Система биологических наук
• Сущность и свойства живого. Уровни организации и методы познания живой природы
1. Краткая история развития биологии
Вспомните!
Какие достижения современной биологии вам известны?
Каких учёных-биологов вы знаете?
Современная биология уходит корнями в глубокую древность, мы находим её истоки в цивилизациях прошлых тысячелетий: в Древнем Египте, Древней Греции.
Первым учёным, создавшим научную медицинскую школу, был древнегреческий врач Гиппократ (ок. 460 – ок. 370 до н. э.). Он считал, что у каждой болезни есть естественные причины и их можно узнать, изучая строение и жизнедеятельность человеческого организма. С древних времён и по сей день врачи торжественно произносят клятву Гиппократа, обещая хранить врачебную тайну и ни при каких обстоятельствах не оставлять больного без медицинской помощи.
Великий энциклопедист древности Аристотель (384–322 до н. э.) стал одним из основателей биологии как науки, впервые обобщив биологические знания, накопленные до него человечеством. Он разработал систематику животных, определив в ней место и человеку, которого он называл «общественным животным, наделённым разумом». Многие труды Аристотеля были посвящены происхождению жизни.
Древнеримский учёный и врач Клавдий Гален (ок. 130 – ок. 200), изучая строение млекопитающих, заложил основы анатомии человека. В течение следующих пятнадцати веков его труды были основным источником знаний по анатомии.
В Средние века в Европе воцарился период застоя во всех областях знаний. В это время традиции античных авторов нашли своё продолжение в странах Передней и Средней Азии, где жили и творили такие выдающиеся учёные, как Абу Али Ибн Сина (Авиценна) (ок. 980–1037) и Абу Рейхан Мухаммед ибн Ахмет аль-Бируни (973 – ок. 1050). От того времени в современной анатомической номенклатуре сохранилось множество арабских терминов.
Наступление эпохи Возрождения ознаменовало начало нового периода в развитии биологии.
Резко возрос интерес к биологии в эпоху Великих географических открытий (XV в.). Открытие новых земель, налаживание торговых отношений между государствами расширяли сведения о животных и растениях. Ботаники и зоологи описывали множество новых, неизвестных ранее видов организмов, принадлежащих к различным царствам живой природы.
Один из выдающихся людей этой эпохи – Леонардо да Винчи (1452–1519) – описал многие растения, изучал строение человеческого тела, деятельность сердца и зрительную функцию.
После того как был снят церковный запрет на вскрытие человеческого тела, блестящих успехов достигла анатомия человека, что получило отражение в классическом труде Андреаса Везалия (1514–1564) «Строение человеческого тела» (рис. 1). Величайшее научное достижение – открытие кровообращения – совершил в XVII в. английский врач и биолог Уильям Гарвей (1578–1657).
Новую эру в развитии биологии ознаменовало изобретение в конце XVI в. микроскопа. Уже в середине XVII в. была открыта клетка, а позднее обнаружен мир микроскопических существ – простейших и бактерий, изучено развитие насекомых и принципиальное строение сперматозоидов.
В XVIII в. шведский натуралист Карл Линней (1707–1778) предложил систему классификации живой природы и ввёл бинарную (двойную) номенклатуру для наименования видов.
Карл Эрнст Бэр (Карл Максимович Бэр) (1792–1876), профессор Петербургской медико-хирургической академии, изучая внутриутробное развитие, установил, что зародыши всех животных на ранних этапах развития схожи, сформулировал закон зародышевого сходства и вошёл в историю науки как основатель эмбриологии.
Первым биологом, который попытался создать стройную и целостную теорию эволюции живого мира, стал французский учёный Жан Батист Ламарк (1774–1829). Палеонтологию, науку об ископаемых животных и растениях, создал французский зоолог Жорж Кювье (1769–1832).
Огромную роль в понимании единства органического мира сыграла клеточная теория зоолога Теодора Шванна (1810–1882) и ботаника Маттиаса Якоба Шлейдена (1804–1881).
Рис. 1. Титульный лист книги А. Везалия «Строение человеческого тела», напечатанной Иоганном Опорином в 1543 г.
Крупнейшим достижением XIX в. стало эволюционное учение Чарлза Роберта Дарвина (1809–1882), которое имело определяющее значение в формировании современной естественно-научной картины мира (рис. 2).
Основоположником генетики, науки о наследственности и изменчивости, стал Грегор Иоганн Мендель (1822–1884), работы которого настолько опередили своё время, что были не поняты современниками и открыты заново спустя 35 лет.
Одним из основателей современной микробиологии стал немецкий учёный Роберт Кох (1843–1910), а труды Луи Пастера (1822–1895) и Ильи Ильича Мечникова (1845–1916) определили появление иммунологии.
Развитие физиологии связано с именами великих российских учёных Ивана Михайловича Сеченова (1829–1905), заложившего основы изучения высшей нервной деятельности, и Ивана Петровича Павлова (1849–1936), создавшего учение об условных рефлексах.
XX в. ознаменовался бурным развитием биологии. Мутационная теория Гуго де Фриза (1848–1935), хромосомная теория наследственности Томаса Ханта Моргана (1866–1945), учение о факторах эволюции Ивана Ивановича Шмальгаузена (1884–1963), учение о биосфере Владимира Ивановича Вернадского (1863–1945), открытие антибиотиков Александром Флемингом (1881–1955), установление структуры ДНК Джеймсом Уотсоном (р. 1928) и Фрэнсисом Криком (1916–2004) – невозможно перечислить всех тех, кто своим самоотверженным трудом создавал современную биологию, которая в настоящее время является одной из наиболее бурно развивающихся областей человеческого знания.
Система биологических наук. Современная биология – это совокупность естественных наук, изучающих жизнь как особую форму существования материи. Одними из первых в биологии сложились комплексные науки: зоология, ботаника, анатомия и физиология. Позднее внутри них сформировались более узкие дисциплины, например внутри зоологии появилась ихтиология (наука о рыбах), энтомология (о насекомых), арахнология (о пауках) и т. д. Многообразие организмов изучает систематика, историю живого мира – палеонтология. Различные свойства живого являются предметом исследования таких наук, как генетика (закономерности изменчивости и наследственности), этология (поведение), эмбриология (индивидуальное развитие), эволюционное учение (историческое развитие).
Рис. 2. Титульная страница книги Ч. Дарвина «Происхождение видов путём естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» (издание 1859 г.)
В середине XX в. в биологию начали активно проникать методы и идеи других естественных наук. На границах смежных дисциплин возникали новые биологические направления: биохимия, биофизика, биогеография, молекулярная биология, космическая биология и многие другие. Широкое внедрение математики в биологию вызвало рождение биометрии. Успехи экологии, а также всё более актуальные проблемы охраны природы способствовали развитию экологического подхода в большинстве отраслей биологии.
На рубеже XX и XXI вв. с огромной скоростью начала развиваться биотехнология – направление, которому несомненно принадлежит будущее. Последние достижения в этой области открывают широкие перспективы для создания биологически активных веществ и новых лекарственных препаратов, для лечения наследственных заболеваний и осуществления селекции на клеточном уровне.
В настоящее время биология стала реальной производительной силой, по развитию которой можно судить об общем уровне развития человеческого общества.
Вопросы для повторения и задания
1. Расскажите о вкладе в развитие биологии древнегреческих и древнеримских философов и врачей.
2. Охарактеризуйте особенности воззрений на живую природу в Средние века, эпоху Возрождения.
3. Используя знания, полученные на уроках истории, объясните, почему в Средние века в Европе наступил период застоя во всех областях знаний.
4. Какое изобретение XVII в. дало возможность открыть и описать клетку?
5. Каково значение для биологической науки работ Л. Пастера и И. И. Мечникова?
6. Перечислите основные открытия, сделанные в биологии в XX в.
7. Назовите известные вам естественные науки, составляющие биологию. Какие из них возникли в конце XX в.?
Подумайте! Выполните!
1. Проанализируйте изменения, произошедшие в науке в XVII–XVIII вв. Какие возможности они открыли перед учёными?
2. Как вы понимаете выражение «прикладная биология»?
3. Решение каких проблем человечества зависит от уровня биологических знаний?
4. Проанализируйте материал параграфа. Составьте хронологическую таблицу крупных достижений в области биологии. Какие страны в какие временные периоды были основными «поставщиками» новых идей и открытий? Сделайте вывод о связи между развитием науки и другими характеристиками государства и общества.
5. Приведите примеры современных дисциплин, возникших на стыке биологии и других наук, не упомянутые в параграфе. Что является предметом их изучения? Попробуйте предположить, какие разделы биологии могут возникнуть в будущем.
6. Обобщите информацию о системе биологических наук и представьте её в виде сложной иерархической схемы. Сравните схему, созданную вами, с результатами, которые получились у ваших одноклассников. Одинаковы ли ваши схемы? Если нет, объясните, в чём их принципиальные отличия.
7. Оцените роль биологических знаний в формировании мировоззрения современного человека. Составьте 10–15 тезисов, раскрывающих значимость биологической информации в жизни каждого.
8. Организационный проект. Выберите важное событие в истории биологии, годовщина которого приходится на текущий или следующий год. Разработайте программу вечера (конкурса, викторины), посвящённого этому событию.
Работа с компьютером
Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.
Повторите и вспомните!
Ботаника
В настоящее время ботаническая наука разделилась на ряд самостоятельных, но одновременно взаимосвязанных дисциплин.
Морфология в широком смысле слова – это наука о строении растений, в узком смысле – наука о внешнем их строении. Анатомия исследует внутреннее строение растений. Из анатомии растений выделилась цитология, изучающая строение клетки. С изобретением электронного микроскопа возможности цитологических исследований значительно расширились. Особое значение приобрела эмбриология растений, изучающая ранние стадии развития растительных организмов. Физиология растений исследует процессы, происходящие внутри растительного организма. Палеоботаника изучает ископаемые остатки растений, что позволяет восстановить историю растительного мира. Геоботаника – наука о растительном покрове Земли, распространении и закономерностях размещения растительных сообществ. Часто в состав геоботаники включают географию растений.
В настоящее время активно развиваются прикладные отрасли ботаники: растениеводство, лесное хозяйство, фармакология и парфюмерная промышленность. Велика роль ботаники в увеличении продуктивности культурных растений, в решении мировой продовольственной проблемы. На первый план выходят такие задачи, как рациональное использование и сохранение растительного мира, защита растений от неблагоприятных факторов.
Зоология
Зоология представляет собой сложную науку, состоящую из множества научных дисциплин. Одни из них изучают отдельные группы животных, другие исследуют их строение, развитие, жизнедеятельность.
К первой группе зоологических дисциплин относятся такие науки, как, например, энтомология – наука, изучающая насекомых, арахнология – наука о пауках, малакология – наука о моллюсках, герпетология – наука о земноводных и пресмыкающихся и др. Причём все эти науки объединяются в два раздела: зоология позвоночных, изучающая всего один тип – хордовых, и зоология беспозвоночных, исследующая все остальные типы животных. Такое разделение в зоологии возникло ещё во времена Аристотеля и утвердилось при жизни Жана Батиста Ламарка.
Вторая группа зоологических дисциплин не менее разнообразна. Морфология и анатомия изучают внешнее и внутреннее строение животных, гистология исследует ткани, а объектом цитологии являются отдельные клетки. Физиология изучает жизнедеятельность животных. Эмбриология исследует индивидуальное развитие. Этология – это наука о поведении животных. Палеозоология – наука об ископаемых животных, она изучает их строение, геологическое распространение, историческое развитие, происхождение, взаимоотношения с современными организмами.
В середине XX в. в зоологию начали активно проникать методы и идеи других естественных наук. На границах смежных дисциплин возникали новые биологические направления, например биохимия животных изучает химические процессы, протекающие в животном организме.
Многие современные науки, такие как генетика, молекулярная биология, экология, решают свои актуальные задачи, используя для исследования животных. Тесно связана с практической деятельностью человека прикладная зоология, которая включает сельскохозяйственную, лесную, медицинскую зоологию, паразитологию и другие разделы.
Науки о человеке
Зачатки научных знаний о человеке возникли в недрах античной философии. Постепенно, в течение тысячелетий, накопленные знания о различных сторонах человеческого существования складывались в целостную систему общественных, гуманитарных, естественных и технических наук. Среди них одно из самых древних и почётных мест по праву занимает медицина.
Медицина – область науки и практическая деятельность, направленная на сохранение и укрепление здоровья. В медицине выделяют теоретическую и практическую, или клиническую, медицину. Теоретическая медицина изучает организм человека, его строение и работу в норме и при патологиях, заболевания и нарушения состояния, методы их диагностики, коррекции и лечения с теоретической точки зрения. Практическая медицина (медицинская практика) – это применение всех накопленных медицинской наукой знаний для лечения и профилактики заболеваний и патологических состояний человеческого организма.
Анатомия – это наука о строении организма, его систем и органов. Анатомия рассматривает строение тела человека в разные периоды жизни, начиная с эмбрионального развития и до старческого возраста, изучает половые и индивидуальные особенности организма.
Физиология – это наука о функциях организма, его органов и систем, о процессах, протекающих в организме, и о способах их регуляции.
Психология изучает поведение человека, закономерности и механизмы психических процессов.
Гигиена – это один из наиболее древних разделов медицины. Она изучает влияние окружающей среды, условий жизни и труда на организм человека.
2. Сущность жизни и свойства живого
Вспомните!
Каково происхождение названия науки биологии?
Что вам известно о свойствах и сущности жизни?
Сущность жизни. Что такое жизнь, основной объект изучения биологии? Где та грань, которая отделяет живое от неживого, распределяет по разным категориям гору и растущее на ней дерево, реку и живущую в ней рыбу? Жизнь как явление природы – величайшая загадка, которую человечество пытается решить уже многие тысячи лет.
В IV в. до н. э. великий греческий учёный Аристотель предположил, что живое становится живым благодаря специальной силе, которая заставляет семя прорастать, рыбу плыть, птицу откладывать яйца. Спустя два с лишним тысячелетия, в начале XIX в., немецкий естествоиспытатель Готфрид Рейнхольд Тревиранус ввёл понятие vis vitalis – «жизненная сила». Этот термин дал название философскому направлению – витализму.
С развитием органической химии многие учёные пытались объяснить отличия живого от неживого с помощью химических формул. Именно к этому периоду относится классическое определение жизни, данное Фридрихом Энгельсом: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».
На протяжении XX в. делалось много попыток дать максимально полное и корректное определение сущности жизни:
– совокупность специфических физико-химических процессов;
– особая форма существования материи;
– активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и воспроизведение специфической структуры;
– процесс обмена веществ;
– самовоспроизводящийся процесс, который прекращается с разрушением определённой структуры организации.
Существование этих и многих других определений демонстрирует, как сложно дать однозначное определение жизни.
Российский академик Владимир Александрович Энгельгардт считал, что «именно в способности живого создавать порядок из теплового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого». В неживой природе энергия рассеивается, что приводит к снижению упорядоченности, т. е. к возрастанию энтропии.
В самом общем смысле жизнь можно определить как активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение специфической структуры, обязательными компонентами которой являются белки и нуклеиновые кислоты.
Свойства живого. Не придя к единому универсальному определению, учёные договорились характеризовать жизнь целым комплексом свойств и признаков, совокупность которых позволяет определить ту самую границу, которая отделяет живое от неживого.
Рассмотрим основные свойства живой материи.
Единство элементного химического состава. В состав живого входят те же элементы, что и в состав неживой природы, но в других количественных соотношениях; при этом примерно 98 % приходится на углерод, водород, кислород и азот.
Единство биохимического состава. В состав всех живых организмов обязательно входят белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты.
Единство структурной организации. Единицей строения, жизнедеятельности, размножения, индивидуального развития является клетка; вне клетки жизни нет.
Дискретность и целостность. Любая биологическая система состоит из отдельных взаимодействующих частей (молекулы, органоиды, клетки, ткани, организмы, виды и т. д.), которые вместе образуют структурно-функциональное единство. Причём свойства целой системы не являются простой совокупностью свойств частей, её составляющих.
Обмен веществ и энергии (метаболизм ). Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных процессов: ассимиляции (пластического обмена) – синтеза органических веществ в организме (за счёт внешних источников энергии – света, пищи) и диссимиляции (энергетического обмена) – процесса распада сложных органических веществ с выделением энергии, которая затем расходуется организмом.
Саморегуляция. Любые живые организмы обитают в постоянно изменяющихся условиях окружающей среды. Благодаря способности к саморегуляции в процессе метаболизма сохраняются относительное постоянство химического состава и интенсивность течения физиологических процессов, т. е. поддерживается гомеостаз.
Открытость . Все живые системы являются открытыми, потому что в процессе их жизнедеятельности между ними и окружающей средой происходит постоянный обмен веществом и энергией (рис. 3).
Размножение. Размножение – это способность организмов воспроизводить себе подобных. В основе воспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т. е. образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. Это свойство обеспечивает непрерывность жизни и преемственность поколений.
Рис. 3. Закрытая (А) и открытая (Б) системы
Наследственность и изменчивость. Наследственность – способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Основой наследственности является относительное постоянство строения молекул ДНК.
Изменчивость – свойство, противоположное наследственности; способность живых организмов приобретать новые признаки, отличные от качеств других особей того же или другого вида. Изменчивость, обусловленная изменениями наследственных задатков – генов, создаёт разнообразный материал для естественного отбора, т. е. отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования в природе. Это приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.
Рост и развитие. Индивидуальное развитие, или онтогенез, – развитие живого организма от зарождения до момента смерти. В процессе онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма. В основе этого лежит поэтапная реализация наследственных программ. Индивидуальное развитие обычно сопровождается ростом.
Историческое развитие, или филогенез, – необратимое направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни.
Раздражимость и движение. Раздражимость – это способность организма избирательно реагировать на внешние и внутренние воздействия, т. е. воспринимать раздражение и отвечать определённым образом. Ответную реакцию организма на раздражение, осуществляемую при участии нервной системы, называют рефлексом.
Организмы, у которых отсутствует нервная система, отвечают на воздействие изменением характера движения или роста, например листья растений поворачиваются к свету.
Ритмичность. Суточные и сезонные ритмы направлены на приспособление организмов к меняющимся условиям существования. Наиболее известным ритмическим процессом в природе является чередование периодов сна и бодрствования.
Некоторые отдельные свойства, рассмотренные нами, могут встречаться и в неживой природе – сталактиты растут, вода в реке движется, чередуются приливы и отливы. Но в совокупности все перечисленные свойства характерны только для живых организмов.
Вопросы для повторения и задания
1. Что такое жизнь? Попытайтесь дать своё определение.
2. Назовите основные свойства живой материи.
3. Объясните, в чём, по вашему мнению, заключаются принципиальные различия обмена веществами в неживой природе и у живых организмов.
4. Каким образом связаны наследственность, изменчивость и репродукция в обеспечении жизни на Земле?
5. Дайте определение понятия «развитие». Какие формы развития вы знаете?
6. Вспомните из курса биологии животных, чем отличаются прямое и непрямое развитие.
7. Что такое раздражимость? Каково значение избирательной реакции организмов для их приспособления к условиям существования?
8. В чём значение ритмичности процессов жизнедеятельности? Приведите примеры ритмических процессов в растительном и животном мире.
Подумайте! Выполните!
1. Почему существует множество определений понятия «жизнь», но нет ни одного краткого и общепризнанного?
2. Объясните, как вы понимаете фразу: «Свойства системы не являются простой совокупностью свойств частей, её составляющих». Приведите примеры, доказывающие правильность этой фразы.
3. Вспомните материал курса «Человек и его здоровье» и назовите системы человека, которые обеспечивают гомеостаз. Какие структуры образуют эти системы?
4. Приведите примеры увеличения численности объектов в неживой природе и объясните, почему эти процессы нельзя назвать размножением.
Работа с компьютером
Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.
Повторите и вспомните!
Растения
Движения растений. Органам высших растений свойственны направленные ростовые движения (изгибы), вызванные односторонним воздействием различных факторов среды (света, влажности, земного притяжения и др.). Такие типы движений называют тропизмами. В их основе лежит явление раздражимости. Обычно тропизмы возникают в растущих частях растений за счёт более быстрого роста клеток на одной стороне листа, стебля или корня. Разная скорость роста связана с асимметричным распределением растительных гормонов (фитогормонов), в первую очередь гормона роста (ауксина). Движение, направленное в сторону раздражителя, называют положительным тропизмом, в противоположную сторону – отрицательным. В зависимости от природы раздражителей различают разные виды тропизмов. Например, рост побега по направлению к источнику света является положительным фототропизмом, рост корня в направлении центра Земли – положительным геотропизмом, а рост побега – отрицательным геотропизмом.
Животные
Движения животных. Простейшие обладают раздражимостью, они реагируют на свет, температуру, химические вещества, механические воздействия и т. д. Воздействие раздражителей простейшие воспринимают с помощью специальных рецепторов, расположенных в мембранах. Ответом на раздражение у простейших обычно служит движение – таксис. Если организмы перемещаются по направлению к действующему фактору, например к свету, говорят о положительном таксисе (фототаксисе). Движение в противоположном направлении называют отрицательным таксисом.
Человек
Рефлекс. Путь, по которому проходит нервный импульс во время рефлекторной реакции, называют рефлекторной дугой. С точки зрения анатомии рефлекторная дуга – это цепочка нервных клеток. Начинается рефлекторная дуга с чувствительной структуры – рецептора, воспринимающего определённое раздражение (механическое или световое, звуковое или температурное и т. д.). Вторую часть дуги составляют структуры, передающие сигнал в центральную нервную систему. И наконец, управляющий сигнал из центральной нервной системы должен достичь рабочего органа (мышцы или железы). Пришедший нервный импульс изменит состояние органа, например мышца сократится.
Все рефлексы подразделяют на соматические, которые заканчиваются сокращением скелетных мышц, и вегетативные, в результате которых изменяется работа внутренних органов. Иногда соматические рефлексы называют двигательными, тем самым подчёркивая, что ответной реакцией в данном случае будет некое движение, видимое глазом. Например, коленный рефлекс, чья рефлекторная дуга образована всего двумя нейронами, является типичным примером двигательных рефлексов.
Вся деятельность человека складывается из рефлексов разной степени сложности: врождённых безусловных реакций и условных рефлексов, которые формируются в течение жизни.
Сон. Ежесуточные изменения физиологических показателей организма человека называют околосуточными или циркадианными (от лат. circa – около, dies – день) ритмами. Одним из наиболее ярко выраженных околосуточных ритмов является чередование сна и бодрствования. Исследования спящих людей с помощью электрофизиологических методик показали, что сон человека состоит из циклов, повторяющихся с периодом 60–90 минут. Каждый цикл включает две фазы (стадии): медленноволновой (медленный) сон и быстроволновой (быстрый) сон. Сразу после засыпания развивается медленный сон. В течение медленного сна происходит торможение большинства отделов центральной нервной системы, снижается активность систем органов, дыхание становится редким, частота сердцебиения и давление снижаются, кожа розовеет. На электроэнцефалограмме (ЭЭГ) в это время видны редкие волны большой амплитуды. В конце цикла фаза медленного сна на 10–20 минут сменяется фазой быстрого сна. На ЭЭГ появляется быстрая низкоамплитудная активность, сходная с той, которая регистрируется у человека в период бодрствования. Дыхание становится нерегулярным, увеличивается давление и частота сердцебиения, сокращается мимическая мускулатура, двигаются пальцы рук. Фазу быстрого сна ещё называют парадоксальным сном или фазой быстрых движений глаз. Во время этой стадии видно, как у спящего под сомкнутыми веками быстро и хаотично движутся глазные яблоки.
3. Уровни организации живой материи. Методы биологии
Вспомните!
Какие уровни организации живой материи вам известны?
Какие вы знаете методы научных исследований?
Уровни организации живой материи. Окружающий нас мир живых существ – это совокупность биологических систем разной степени сложности, образующих единую иерархическую структуру. Причём следует отчётливо представлять, что взаимосвязь отдельных биологических систем, принадлежащих к одному уровню организации, формирует качественно новую систему. Одна клетка и множество клеток, один организм и группа организмов – разница не только в количестве. Совокупность клеток, обладающих общим строением и функцией, – это качественно новое образование – ткань. Группа организмов – это семья, стая, популяция, т. е. система, обладающая совершенно иными свойствами, нежели простое механическое суммирование свойств нескольких особей.
В процессе эволюции происходило постепенное усложнение организации живой материи. При образовании более сложного уровня предыдущий уровень, возникший ранее, входил в него как составная часть. Именно поэтому уровневая организация и эволюция являются отличительными признаками живой природы. В настоящее время жизнь как особая форма существования материи представлена на нашей планете несколькими уровнями организации (рис. 4).
Молекулярно-генетический уровень. Как бы сложно ни была организована любая живая система, в её основе лежит взаимодействие биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, углеводов, а также других органических и неорганических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: кодирование и передача наследственной информации, обмен веществ, превращение энергии.
Клеточный уровень. Клетка – это структурно-функциональная единица всего живого. Существование клетки лежит в основе размножения, роста и развития живых организмов. Вне клетки жизни нет, а существование вирусов только подтверждает это правило, потому что они могут реализовывать свою наследственную информацию только в клетке.
Рис. 4. Уровни организации живой материи
Тканевый уровень. Ткань – это совокупность клеток и межклеточного вещества, объединённых общностью происхождения, строения и выполняемой функции. В животных организмах выделяют четыре основных типа ткани: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. В растениях различают образовательные, покровные, проводящие, механические, основные и выделительные (секреторные) ткани.
Органный уровень. Орган – это обособленная часть организма, имеющая определённую форму, строение, расположение и выполняющая конкретную функцию. Орган, как правило, образован несколькими тканями, среди которых одна (две) преобладает.
Организменный (онтогенетический ) уровень. Организм – это целостная одноклеточная или многоклеточная живая система, способная к самостоятельному существованию. Многоклеточный организм образован, как правило, совокупностью тканей и органов. Существование организма обеспечивается путём поддержания гомеостаза (постоянства структуры, химического состава и физиологических параметров) в процессе взаимодействия с окружающей средой.
Популяционно-видовой уровень. Популяция – совокупность особей одного вида, в течение длительного времени проживающих на определённой территории, внутри которой осуществляется в той или иной степени случайное скрещивание и нет существенных внутренних изоляционных барьеров; она частично или полностью изолирована от других популяций данного вида.
Вид – совокупность особей, сходных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство. Все особи одного вида имеют одинаковый кариотип, сходное поведение и занимают определённый ареал.
На этом уровне осуществляется процесс видообразования, который происходит под действием эволюционных факторов.
Биогеоценотический (экосистемный ) уровень. Биогеоценоз – исторически сложившаяся совокупность организмов разных видов, взаимодействующая со всеми факторами их среды обитания. В биогеоценозах осуществляется круговорот веществ и энергии.
Биосферный (глобальный ) уровень. Биосфера – биологическая система высшего ранга, охватывающая все явления жизни в атмосфере, гидросфере и литосфере. Биосфера объединяет все биогеоценозы (экосистемы) в единый комплекс. В ней происходят все вещественно – энергетические круговороты, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле.
Таким образом, жизнь на нашей планете представлена саморегулирующимися и самовоспроизводящимися системами различного ранга, открытыми для вещества, энергии и информации. Происходящие в них процессы жизнедеятельности и развития обеспечивают существование и взаимодействие этих систем.
На каждом уровне организации живой материи существуют свои специфические особенности, поэтому в любых биологических исследованиях, как правило, какой-то определённый уровень является ведущим. Так, например, механизмы деления клетки изучают на клеточном уровне, а основные успехи в области генной инженерии достигнуты на молекулярно-генетическом. Но такое разделение проблем по уровням организации является весьма условным, потому что большинство задач биологии так или иначе касаются одновременно нескольких уровней, а порой и всех сразу. Например, проблемы эволюции затрагивают все уровни организации, а методы генной инженерии, реализуемые на молекулярно-генетическом уровне, направлены на изменение свойств всего организма.
Методы познания живой природы. Исследуя системы разной степени сложности, биология использует разнообразные методы и приёмы. Одним из наиболее древних является метод наблюдения, на котором основывается описательный метод. Сбор фактического материала и его описание были основными приёмами исследования на раннем этапе развития биологии. Но и в настоящее время они не утратили своего значения. Эти методы широко используют зоологи, ботаники, микологи, экологи и представители многих других биологических специальностей.
В XVIII в. в биологии стал широко применяться сравнительный метод, который позволял в процессе сопоставления объектов выявлять сходства и различия организмов и их частей. Благодаря этому методу были заложены основы систематики растений и животных, создана клеточная теория. Применение этого метода в анатомии, эмбриологии, палеонтологии способствовало утверждению в биологии эволюционной теории развития.
Исторический метод позволяет сравнить существующие факты с данными, известными ранее, выявить закономерности появления и развития организмов, усложнения их структуры и функций.
Огромное значение для развития биологии имел экспериментальный метод, его первое применение связывают с именем римского врача Галена (II в. н. э.). Гален впервые продемонстрировал участие нервной системы в организации поведения и в работе органов чувств. Однако широко использоваться этот метод начал лишь с XIX в. Классическим образцом применения экспериментального метода являются работы И. М. Сеченова по физиологии нервной деятельности и Г. Менделя по изучению наследования признаков.
В настоящее время биологи всё чаще используют метод моделирования, позволяющий воспроизвести такие экспериментальные условия, которые в реальности воссоздать порой не представляется возможным. С помощью компьютерного моделирования, например, можно рассчитать последствия постройки плотины для определённой экосистемы или воссоздать эволюцию определённого вида живых организмов. Меняя параметры, можно выбрать оптимальный путь развития агроценоза или подобрать наиболее безопасное сочетание лекарственных препаратов при лечении конкретного заболевания.
Любое научное исследование, использующее разные методы, состоит из нескольких этапов. Сначала в результате наблюдений собирают данные – факты, на основе которых выдвигают гипотезу. Для того чтобы оценить верность этой гипотезы, осуществляют серии экспериментов с целью получения новых результатов. Если гипотеза подтверждается, она может стать теорией, включающей в себя определённые правила и законы.
При решении биологических задач используют самую разнообразную технику: световые и электронные микроскопы, центрифуги, химические анализаторы, термостаты, компьютеры и множество других современных приборов и инструментов.
Настоящую революцию в биологических исследованиях произвело появление электронного микроскопа, в котором вместо светового пучка используют пучок электронов. Разрешающая способность такого микроскопа в 100 раз выше, чем светового.
Одним из видов электронного микроскопа является сканирующий. В нём электронный луч не проходит через образец, а отражается от него и преобразуется в изображение на телеэкране. Это позволяет получать трёхмерное изображение исследуемого объекта.
Вопросы для повторения и задания
1. Как вы считаете, почему необходимо выделять различные уровни организации живой материи?
2. Перечислите и охарактеризуйте уровни организации живой материи.
3. Назовите биологические макромолекулы, входящие в состав живых систем.
4. Как проявляются свойства живого на различных уровнях организации?
5. Какие методы исследования живой материи вы знаете?
6. Может ли многоклеточный организм не иметь тканей и органов? Если вы считаете, что может, приведите примеры таких организмов.
Рис. 5. Амёба под микроскопом
Подумайте! Выполните!
1. Выделите основные признаки понятия «биологическая система».
2. Согласны ли вы с тем, что описательный период в биологии продолжается и в XXI в.? Ответ обоснуйте.
3. Рассмотрите рис. 5. Определите, какое изображение было получено при помощи световой микроскопии, какое – при помощи электронной, а какое – результат использования сканирующего микроскопа. Объясните свой выбор.
4. Из предыдущих курсов биологии, физики, химии или других предметов вспомните какую-нибудь хорошо известную вам теорию (закон или правило). Попробуйте описать основные этапы её (его) формирования.
5. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте презентацию или красочный стенд на тему «Современное научное оборудование и его роль в решении биологических задач». С каким оборудованием вы уже познакомились при изучении курса «Человек и его здоровье»? Для каких целей его используют? Можно ли медицинское оборудование считать биологическим? Объясните свою точку зрения.
Работа с компьютером
Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.
Повторите и вспомните!
Растения
Появление тканей и органов растений. Появление тканей и органов в эволюции растений было связано с выходом на сушу. У водорослей отсутствуют органы и специализированные ткани, так как все их клетки находятся в одинаковых условиях (температурный режим, освещённость, минеральное питание, газообмен). Каждая клетка водоросли обычно содержит хлоропласты и способна к фотосинтезу.
Однако, выйдя на сушу, предки современных высших растений попали в совершенно иные условия: кислород, необходимый для дыхания, и углекислый газ, используемый для фотосинтеза, растения должны были получать из воздуха, а воду – из почвы. Новая среда обитания не была однородной. Возникли проблемы, которые надо было решать: защита от высыхания, поглощение воды из почвы, создание механической опоры, сохранение спор. Существование растений на границе двух сред – почвы и воздуха – привело к возникновению полярности: нижняя часть растения, погружаясь в почву, поглощала воду с растворёнными в ней минеральными веществами, верхняя часть, оставаясь на поверхности, активно фотосинтезировала и обеспечивала всё растение органическими веществами. Так появились два основных вегетативных органа современных высших растений – корень и побег.
Такое расчленение тела растений на отдельные органы, усложнение их структуры и функций происходило постепенно в процессе длительной эволюции растительного мира и сопровождалось усложнением тканевой организации.
Первой появилась покровная ткань, обеспечившая защиту растения от высыхания и повреждений. Подземная и наземная части растения должны были иметь возможность обмениваться различными веществами. Вода с растворёнными в ней минеральными солями поднималась вверх из почвы, а органические вещества перемещались вниз, к подземным частям растения, не способным к фотосинтезу. Это требовало развития проводящих тканей – ксилемы и флоэмы. В воздушной среде надо было противостоять силам гравитации, выдерживать порывы ветра – это потребовало развития механической ткани.
У высших растений различают вегетативные и генеративные (репродуктивные) органы. Вегетативными органами высших растений являются корень и побег, состоящий из стебля, листьев и почек. Вегетативные органы обеспечивают фотосинтез и дыхание, рост и развитие, поглощение и проведение в теле растения воды и растворённых в ней минеральных солей, транспорт органических веществ, а также участвуют в вегетативном размножении.
Генеративные органы – это спорангии, спороносные колоски, шишки и цветки, образующие плоды и семена. Они появляются в определённые периоды жизни и выполняют функции, связанные с размножением растений.
Человек
Методы изучения человека. Одним из первых анатомических методов, начиная с эпохи Возрождения, был метод аутопсии (вскрытия трупов). Однако в настоящее время существует множество методов, которые позволяют изучать организм прижизненно: рентгеноскопия, ультразвуковое исследование, магнитно-резонансная томография и многие другие.
Основу всех физиологических методов составляют наблюдения и эксперименты. Современные физиологи успешно применяют разнообразные инструментальные методы. Электрокардиограмма сердца, электроэнцефалограмма головного мозга, термография (получение теплофотографий), радиография (введение в организм радиометки), разнообразные эндоскопии (осмотры внутренних органов при помощи специальных приборов – эндоскопов) помогают специалистам не только изучать работу организма, но и на ранних стадиях выявлять заболевания и нарушения в работе органов. Многое о состоянии здоровья человека может сказать его артериальное давление, анализ крови и мочи.
Основными методами психологии являются наблюдения, анкетирование, эксперимент.
Гигиена, наряду с методами, используемыми в других науках, имеет свои специфические методы исследования: эпидемиологический, санитарного обследования, санитарной экспертизы, санитарного просвещения и некоторые другие.
Ваша будущая профессия
1. Оцените роль науки в жизни каждого человека и общества в целом. Напишите эссе по данной теме. Обсудите в классе, существует ли в настоящее время профессиональная деятельность, на которую не влияет развитие науки.
2. Оцените значение информации в современном обществе. Какова роль информации в успешном профессиональном росте? Раскройте смысл высказывания премьер-министра Великобритании Уинстона Черчилля (1874–1965) «Кто владеет информацией – тот владеет миром».
3. Попробуйте смоделировать ситуации, в которых вам могут пригодиться знания, полученные при изучении этой главы.
4. Специальность – комплекс приобретённых путём специальной подготовки и опыта работы знаний, умений и навыков, необходимых для определённого вида деятельности в рамках той или иной профессии. Профессия – социально значимый род занятий человека, вид его деятельности. Определите, что из ниже приведённого списка относится к специальности, а что – к профессии: биология, инженер-эколог, биотехнолог, экология, генный инженер, молекулярный биолог. Аргументируйте свой выбор.
5. Какую специальность вы планируете приобрести в ходе дальнейшего обучения? Определились ли вы уже с выбором профессии?