Биология – наука о живой материи

1. Биология – наука  о живой материи

1.1 История становления биологии

Первоначальные  знания о живых организмах стали  формироваться, когда человек наконец  осознал свое отличие от окружающего  его неподвижного, безжизненного  мира. Люди пытались избавляться от недугов, облегчать боль, восстанавливать здоровье, спасать от смерти. Делали они это посредством религиозных или магических обрядов в надежде умилостивить доброго или злого духа и тем самым изменить ход событий. Несомненно, даже в те времена, когда человек полностью находился во власти суеверий, накапливалось множество полезных сведений. Египтяне, умевшие искусно бальзамировать тела умерших и делать мумии, обладали практическими знаниями анатомии человека.

Однако, до тех  пор пока люди верили, что миром  управляют злые силы, а природа находится во власти сверхъестественного, накапливание знаний и представлений о живой природе происходило стихийным образом и не носило характера сознательно направленной деятельности. Даже наиболее одаренные исследователи были заняты не изучением видимого мира, а попытками с помощью некоего откровения понять невидимый и управляющий всем мир. 
Примерно в 600 г. до н.э. на берегах Эгейского моря, в Ионии, появилась философская школа, которая внесла новую струю в господствовавшие до этого представления. По преданию одним из древнейших философов этой школы был Фалес (конец VII- начало VI вв. до н.э,). Философы ионийской школы отвергали сверхъестественное, полагая, что жизнь Вселенной течет по строго определенному и неизменному пути. Каждое явление имеет свою причину, в свою очередь каждая причина неизбежно вызывает определенный эффект без вмешательства чьей-либо воли извне. Кроме того, философы допускали, что "естественный закон", правящий миром, доступен разуму человека, его можно вывести на основании определенных предпосылок или наблюдений. Подобная точка зрения определила дальнейший прогресс в изучении внешнего мира. 
Рационализм вошел в биологию в тот период, когда строение тела животных начали изучать по-настоящему, а не с целью разгадать божественную волю. По преданию первым стал вскрывать животных, чтобы описать увиденное, Алкмеон (VI в. до н.э.).

Однако самым  известным именем, связанным с  рационалистическим началом в биологии, было имя Гиппократа (около 460-377 гг. до н.э.). О нем известно только, что он родился и жил на острове Кос, против ионийского побережья. На острове был храм Асклепия, или Эскулапа, греческого бога медицины. Храм был чем-то вроде современного медицинского факультета, а его жрецы - своеобразными врачами. 
Большой заслугой Гиппократа перед биологией было то, что он отвел Асклепию почетное место чисто формально: по его мнению, боги не оказывают никакого влияния на медицину.

Биологические знания древних греков, как и естествознание в целом, приобрели признаки науки  при Аристотеле (384-322 гг. до н. э.). Основой биологических знаний той эпохи можно считать "Историю животных", написанную Аристотелем в 330-е годы до н.э. Аристотеля, занявшей десять томов, и еще более поразительные семь анатомических атласов, которые к ней прилагались. Эти труды были созданы гениальным ученым на основе изучения огромного систематического материала Он заметил развитие трутней из неоплодотворенных яиц у пчел, открыл оригинальный жевательный аппарат морских ежей, носящих с тех пор название Аристотелева фонаря, установил биение сердца куриного зародыша на третий день развития, нашел во внутреннем ухе улитку, обнаружил рудиментарный глаз у крота, описал случаи симбиоза... 
Стремление к точности заставляло Аристотеля проверять некоторые сведения, в которых он не был уверен. Так, в "Истории животных", следуя Геродоту, он сообщает, что у крокодила нет языка, но в работе "О частях животных" ошибка исправляется. Не удивительно, что капитальный труд философа, в котором описано 500 известных в то время видов, прожил долгую жизнь. Бюффон считал "Историю животных" "до сих пор едва ли не лучшим из произведений, существующих по этому вопросу". Кювье писал, что "невозможно понять, каким образом один человек сумел собрать и сравнить множество частных фактов, предполагающих многочисленные общие правила". Ботанические труды Аристотеля до нас не дошли. И вряд ли существовали у него крупные работы в этой области, так как его преемник Теофраст, вероятно, в подражание и дополнение трудов учителя написал "Описание растений" и "О причинах растений". Возможно, что план этих книг был составлен совместно с Аристотелем, так как в философских школах древности было принято разделение труда по областям знания, разрабатываемого в рамках единой системы. В работах Аристотеля не приводится окончательной классификации в том виде, к какому мы привыкли, но все же она представляется довольно четкой. Он пользовался только двумя таксонами: видом и родом. Причем вид он рассматривает как конкретное понятие, а род представляет как некоторую общность от современных подродов до семейств. Однако для рода намечено дальнейшее членение; Аристотель различает малые и большие роды.

Исследуя живую  природу, Аристотель сделал первый шаг  к биологической систематике, раздела  биологии, задачей которого является описание и обозначение всех существующих и вымерших организмов, а также их классификация по таксонам (группировкам) различного ранга. Основы этой науки будут заложены позже в работах Дж.Рея и особенно К.Линнея. 
Рассматривая в "Физике" возражения Аристотеля материалистам, отстаивавшим преимущественную роль случайности в происхождении живой природы, можно сделать вывод о том, что здесь и начинается великий спор, есть ли в живой природе что-то совершенно особое, что отличает ее коренным образом от неживой и делает недоступной для тех же методов, какими познается, а значит, и систематизируется остальной мир. Вероятно, уже Аристотелю не удалось уложить биологию в свою собственную знаменитую формальную логику, не требующую в силу своей строгости никаких лишних сущностей, и он "изобрел" для природы конечную цель, породив теологию, учение об изначальной природной целесообразности. 
Именно от этого древнего грека началось оформление биологии как науки, и одновременно пошел разлад в науках о живой природе, со временем приведший ученых на путь системного анализа, через общую теорию систем, близкую кибернетике. 
После победного шествия Александра Македонского и завоевания им Персидской империи эллинская культура проникла в страны Средиземноморского бассейна. Египет подпал под власть Птолемеев (потомков одного из военачальников Александра), и греки перебрались во вновь основанную сто И хотя биология не принадлежала к числу популярных в Александрии наук, однако и в ней можно найти по крайней мере два славных имени: это Герофил (расцвет его деятельности относится к 300-м годам до н.э.) и его ученик Эразистрат (250-е годы до н.э.).лицу Александрию. Остается только пожалеть, что после столь многообещающего начала александрийская школа в биологии сошла на нет. Фактически греческая наука начала хиреть примерно после 200 г. до н.э. Она процветала на протяжении четырех столетий, но в продолжительных междоусобных войнах греки безрассудно растратили свою энергию и благосостояние. Они попали под власть сначала Македонской империи, а затем Рима. Постепенно греческие ученые сосредоточили свое внимание на изучении риторики, этики, философии, отказались от изучения философии естествознания, то есть рационального изучения природы, которое зародилось еще в недрах ионийской школы. 
Кроме того, на развитии биологии сказывался еще и тот немаловажный факт, что жизнь - живая природа - в отличие от неживого мира считалась священной, а потому неподходящей для рационалистического изучения. Анатомирование человеческого тела многим представлялось абсолютно недопустимым. Господство римлян на Средиземноморье надолго приостановило развитие биологии. Образованным людям того времени казалось достаточным собрать воедино открытия прошлого, сохранить их и популяризировать среди сограждан. Так, Авл Корнелий Цельс (1 в. до н.э.-1 в. н.э.) свел наследие греков в своеобразный курс обзорных лекций. Раздел этого курса по медицине пережил современников. Тем самым Цельс как врач прославился гораздо больше, чем он того заслуживал. 
Расширение территории Римской империи в результате успешных завоеваний позволило ученым собирать коллекции растений и наблюдать за животным миром в тех местах, которые были недоступны древним грекам. Так, греческий медик Диоскорид (Т в. н. э.), служивший в римской армии, превзошел Теофраста: ему принадлежит описание шестисот видов растений. Особое внимание Диоскорид обращал на целебные свойства растений, поэтому мы можем считать его основоположником фармакологии (учения о лекарствах). 
Одним из известнейших римских естествоиспытателей считается Гай Плиний старший (23-79 гг. н.э.). По его мнению, все в природе существует ради человека: либо дает ему пищу, либо является источником лекарств, либо стимулирует физическое развитие или волю человека, либо, наконец, служит нравственным целям. Эти воззрения Плиния, совпадавшие с учением древних христиан, а кроме того, несомненный интерес, который люди проявляли к его домыслам, частично объясняют, почему труды Плиния сохранились до наших дней. 
Последним биологом древности (в подлинном смысле этого слова) был Гален (131-200 гг. н.э.) - римский врач, уроженец Малой Азии. Первые годы врачебной практики Гален провел на арене гладиаторов. Лечение перенесших травму людей позволило ему собрать богатый анатомический материал. Однако, хотя его современники и не возражали против жестоких и кровавых игр гладиаторов в угоду извращенным вкусам развлекающейся публики, они продолжали неодобрительно смотреть на вскрытие человеческих трупов с научными целями. Поэтому анатомические исследования Гален проводил в основном на собаках, овцах и других животных. Как только представлялся случай, он вскрывал обезьян, находя в них большое сходство с человеком. 
Гален оставил большое научное наследство. Его тщательно разработанные теории о функции различных органов человеческого тела сыграли существенную роль в развитии медицины. Однако невозможность изучать человеческий организм по-настоящему, отсутствие в то время нужного инструментария, несомненно, послужили причиной ошибочности большинства его теорий. Не будучи христианином, Гален все же твердо верил в существование единого Бога. Подобно Плинию, он полагал, что все живое сотворено с заранее намеченной целью. Повсюду в организме человека он усматривал проявление божественного труда. Такая точка зрения, вполне приемлемая в период подъема христианства, объясняет популярность Галена и в более позднее время. 
Все это создало предпосылки для создания в XVIII веке классификации Карла Линнея, основоположника биологической систематики, придумавшего бинарную систему называния каждого живого организма (вид и род); была разработана целая иерархия, согласно которой царство животных приобрело пять ступеней. Потом эту иерархию пополнили еще тип - таксон, находящийся между царством и классом, и семейство - между отрядом и родом. Линнеевский вариетас - самый низкий ранг - стал называться подвидом. Еще позднее квалификационная таблица разрослась за счет того, что появились надтипы, подклассы и так далее, появились такие категории, как триба и когорта. Но все эти наслоения остались второстепенными, главными же таксонами, которые используются везде, по-прежнему считаются пять линнеевских подразделений плюс "тип" и "семейство". 
Уже в античный период возникла проблема исключительности живых систем, заключающаяся в том, что какие-то грани биологического мира всегда будут ускользать от чисто физико-химического анализа, и математические методы в теоретической биологии, по мнению многих исследователей, пригодны далеко не не всегда, а самым ценным вкладом точных наук в данном случае можно считать вероятностный подход.  
И до сих пор попытки объективно оценить основные факты, с которыми работают биологи, в том числе систематики, - признаки сходства и родства у живых существ - постоянно заводят исследователя в тупик, и тем не менее, делая эту оценку по несовершенным, часто ничтожным данным, он зачастую оказывается прав настолько, что проверка новейшими методами лишь подтверждает прогноз ученого. 
 
 
 
 
 
 
 

1.2 Место биологии в системе естественно научных дисциплин

Целью биологии является познание жизни - феномена, занимающего  особое место в мировоззрении. Биология сегодня представляет собой комплекс научных дисциплин, изучающих живые организмы, их строение, функционирование, распространение, происхождение и развитие, а также природные сообщества организмов, их связи друг с другом, с неживой природой и человеком. Вместе с астрономией, физикой, химией, геологией и другими науками, изучающими Природу, биология относится к числу естественных наук.  
Существование и развитие неживой природы определяется сложными физико-химическими процессами, фундаментальными и для живой природы. Однако, с появлением живых организмов (принципиально отличающихся по своим свойствам от тел наживой природы) начинают осуществляться биологические процессы, имеющие специфический характер и подчиняющиеся новым законам - биологическим. Таким образом, физико-химические процессы в живой природе являются фундаментальными, первичными, а биологические, возникающие на их основе, - производными, вторичными. Человек представляет собой особо сложное явление - в нем сочетаются биологическая и социальная сущности. Обладая, в отличие от всех других живых организмов, разумом, языком, способностью к творческой деятельности, глубокой социальностью, человек подчинен действию как физико-химических и биологических, так и социальных законов. 
Бурное развитие и грандиозные достижения в 20-м столетии таких биологических наук, как биохимия, биофизика, генетика, молекулярная биология, экология обусловили существенное расширение и углубление наших представлений о единстве материального мира, о наличии сложных взаимоотношений между неживой, живой природой и человечеством. Так, развитие учения о биосфере, экологии в целом показало, что живые организмы являются мощным геологическим фактором планетарного масштаба; что в настоящее время еще более мощным экологическим фактором выступает человечество, оказывая воздействие и на неживую, и на живую природу Земли. 
Определяя место и роль биологии в современном естествознании, необходимо отметить ее значение для развития таких новых направление в науке, как кибернетика, синергетика, общая теория систем. Действительно, ведь живые системы являются ни чем иным, как открытыми диссипативными системами, которые исследуются синергетикой. Кибернетический подход при изучении живых систем широко и плодотворно используется в биологии, а, "по принципу обратной связи", биология способствует развитию этого направления в науке. Наконец, основы общей теории систем были заложены трудами биолога Л. Берталанфи, активно искавшего новые пути познания жизни.  
Все выше изложенное объясняет необходимость формирования, в рамках современного естествознания, целостного взгляда на материальный мир, неотъемлемым компонентом которого является человеческое общество, во многом определяющее сегодня дальнейшее существование и развитие этого мира. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.3 Методы биологических  исследований.

Живые биологические  системы очень сложны, поэтому  формы, методы и способы их исследования довольно разнообразны. Метод (греч. методос – путь к чему-либо) – это способ достижения цели. Опишем основные методы биологических исследований.

1. Описательный метод. При его применении доминирующим является описание внешних признаков и свойств предмета или явления и дается описательная оценка предмета или явления, позволяющая отделить или объединить их. Измерение так же является описательным методом, но при нем используются инструменты, позволяющие перевести качественные показатели в количественные.

2. Метод наблюдения является наиболее традиционным и наиболее «древним», но не потерял своего значения до сих пор. Он предполагает целенаправленное изучение объекта или явления в естественных или искусственно созданных условиях. При этом не ставится задача выявления действия отдельного фактора, а исследователь является простым наблюдателем.

3.Опыт - позволяет воспроизвести уже известные знания, при этом объект исследования подвергается конкретному воздействию, с предсказуемыми результатами.

4. Эксперимент – более активная форма изучения объекта или явления. В искусственно созданных условиях изучается ответ определенного объекта на изменение какого-либо одного или нескольких внешних факторов.

5. Сравнительный метод получил широкое распространение еще в XVIII в. Он заключается в сопоставлении организмов и их частей. Именно принципы сравнения в свое время легли в основу систематики, клеточной теории. Применение сравнительного метода в анатомии, палеонтологии, эмбриологии и других науках способствовало утверждению эволюционных представлений в биологии.

6. Исторический метод выясняет закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функций в ходе геологической истории Земли.

7. Метод моделирования предполагает изучение какого-либо процесса или явления через воспроизведение его самого или его существенных свойств в виде модели. Образную модель можно представить в виде знаковой, т.е. математической, модели. В последнем случае эксперимент сводится к определенным математическим расчетам, как правило, с использованием компьютера. Моделирование дает возможность прогнозировать последствия природных и техногенных катастроф, направления смены экологических систем, объемы выращиваемой сельскохозяйственной продукции и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.4 Фундаментальные  прикладные направления

В современной  биологии существует ряд фундаментальных  прикладных направлений, таких как генная инженерия,  клеточная инженерии, биотехнология, белковая инженерия. Рассмотрим некоторые из них.

Клеточная инженерия.

Конструирование специальными методами клеток нового типа. Клеточная инженерия включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, объединение целых клеток, принадлежавших различным видам (и даже относящихся к разным царствам — растениям и животным), с образованием клетки, несущей генетический материал обеих клеток, и другие операции. Клеточная инженерия используется для решения теоретических проблем в биотехнологии, для создания новых форм растений, обладающих полезными признаками и одновременно устойчивых к болезням и т. п. Создание клеток нового типа на основе их гибридизации, реконструкции и культивирования. В узком смысле слова под этим термином понимают гибридизацию протопластов или животных клеток, в широком — различные манипуляции с ними, направленные на решение научных и практических задач. Является одним из основных методов биотехнологии.

Генная инженерия.

Или технология рекомбинантных ДНК, изменение с помощью биохимических и генетических методик хромосомного материала – основного наследственного вещества клеток. Хромосомный материал состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Биологи изолируют те или иные участки ДНК, соединяют их в новых комбинациях и переносят из одной клетки в другую. В результате удается осуществить такие изменения генома, которые естественным путем вряд ли могли бы возникнуть.

Методом генной инженерии получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон. И хотя эта технология еще только разрабатывается, она сулит достижение огромных успехов и в медицине, и в сельском хозяйстве. В медицине, например, это весьма перспективный путь создания и производства вакцин. В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомым-вредителям и гербицидам.

Практическое  применение. Теперь умеют уже синтезировать гены, и с помощью таких синтезированных генов, введенных в бактерии, получают ряд веществ, в частности гормоны и интерферон. Их производство составило важную отрасль биотехнологии. Интерферон – белок, синтезируемый организмом в ответ на вирусную инфекцию, изучают сейчас как возможное средство лечения рака и СПИДа. Понадобились бы тысячи литров крови человека, чтобы получить такое количество интерферона, какое дает всего один литр бактериальной культуры. Ясно, что выигрыш от массового производства этого вещества очень велик. Очень важную роль играет также получаемый на основе микробиологического синтеза инсулин, необходимый для лечения диабета. Методами генной инженерии удалось создать и ряд вакцин, которые испытываются сейчас для проверки их эффективности против вызывающего СПИД вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). С помощью рекомбинантной ДНК получают в достаточных количествах и человеческий гормон роста, единственное средство лечения редкой детской болезни – гипофизарной карликовости.