Введение в науку "биология"

Лекция 1. Что такое биология и что она изучает?

1.1. Биология (греч. bios — жизнь, logos — учение, наука) — наука о живой природе. Термин «биология» впервые был предложен в 1802 г. французским натуралистом Ж. Б. Ламарком и независимо от него немецким ботаником Г. Р. Тревиранусом (Готфрид Рейнхольд).

Предметом исследования биологии является многообразие ныне существующих и вымерших организмов, их происхождение, эволюция, распространение, строение, функционирование и индивидуальное развитие, связи друг с другом и с окружающей их неживой природой. Биология рассматривает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях и свойствах (обмен веществ, размножение, наследственность, изменчивость, приспособляемость, рост, развитие, раздражимость, подвижность и т. д.).

Биология  подразделяется на ряд самостоятельных  наук и направлений в зависимости  от изучаемых объектов, уровней организации живого, методов исследования, практического использования биологических знаний.

Биологией систематических  групп занимаются: вирусология — наука о вирусах, микробиология — наука, занимающаяся изучением микроорганизмов, микология — наука о грибах, ботаника — наука о растениях, зоология — наука о животных, антропология — наука о человеке

Кроме того, в зоологии и ботанике выделяются науки, изучающие отдельные стороны  жизни животных и растений: строение (морфология, анатомия, гистология и др.), развитие (эмбриология, эволюция и др.), жизнедеятельность (физиология и биохимия животных и растений), распространение (зоогеография и фитогеография), классификацию по группам (систематика растении и животных) и т.д.

Уровни  организации живого изучают: молекулярная биология — наука, исследующая общие свойства и проявления жизни на молекулярном уровне, цитология — наука о клетке, гистология — наука о тканях и т.д.

По структуре, свойствам и проявлениям жизни  отдельных организмов следует различать: анатомию — науку о внутреннем строении, морфологию (в узком смысле) — о внешнем строении, физиологию — о жизнедеятельности целостного организма и его частей, генетику — науку о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.

Изучением коллективной жизни и сообществ живых организмов занимается экология (в общем смысле) — наука об отношениях различных организмов и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой.

Биологические науки теснейшим образом связаны  с физикой, химией, математикой, геологией, географией и принадлежат к единому комплексу естественных наук, т. е. наук о природе. Всех их объединяет не только предмет изучения — природа, но и методы, которыми пользуются исследователи для выяснения тех или иных закономерностей. Наиболее общими методами исследования биологии являются наблюдение (позволяет описать биологические явления), сравнение (дает возможность найти общие закономерности в строении и жизнедеятельности разных организмов), эксперимент или опыт (помогает изучать свойства биологических объектов в контролируемых условиях), моделирование (имитируются многие процессы, недоступные для непосредственного наблюдения или экспериментального воспроизведения), исторический метод (позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом познать процессы развития живой природы).

     1.2 Биология и биотехнология

      Биология  – фундаментальная дисциплина, тесно  связана с практикой и медициной; основа биотехнологии.

      Биотехнология - использование биологической формы  материи для производства социально значимых продуктов.

      Основные  направления применения БТ в различных  отраслях:

• в промышленности - биосинтез, биотрансформация, ферментативный катализ для получения различных веществ (органические кислоты, белки, гормоны, олигосахариды);
• в энергетике – получение биоэнергии (биогаз), моделирование фотосинтеза;
• в медицине – биопрепараты, антитела, вакцины, диагностикумы;
• в экологии – биоочистка сточных вод, утилизация отходов, конструирование экосистем.

      Для решения этих проблем используются методы генетической (на уровне ДНК, рекомбинация – встраивание новых генов) и клеточной (на клеточном уровне, в основном гибридизация, полное слияние или частичное – ядро, органеллы) инженерии.

      Трансгенные организмы – это существа, геном  которых направленно перестроен. Это занимает меньше времени, чем традиционная селекция и дает огромные возможности, однако существует риск для безопасности человека и окружающей среды.

3. Основные этапы развития биологических наук. Методы исследований.

       Существование человека с момента его возникновения было настолько неотделимо от окружающего живого мира, что он был вынужден познавать его, собирать и передавать сведения о растениях и животных другим поколениям.. Уже в Древнем Египте, Вавилоне, Индии были сделаны первые попытки разделить (классифицировать) организмы на полезные (можно использовать в пищу) и опасные (ядовитые, хищники), на животные и растения. В период рабовладельческого строя были заложены основы будущей зоологии, ботаники, анатомии и медицины.

     Начало  развития биологии как науки – эпоха Возрождения. В 16-18 веке благодаря географическим открытиям, быстрому накоплению новых знаний, изобретению микроскопа стало возможным открытие клетки и микроорганизмов. В это же время была предпринята попытка создания классификации живого мира (описательный метод).

     19 век - важнейшие события в биологии: создание клеточной теории, открытие  законов наследственности (экспериментальный метод), эволюционная теория (впервые использован исторический метод).

     20 век – глобальные открытия  в области строения клеточных структур, материала и механизмов передачи наследственной информации, появление и быстрое развитие генной инженерии, расшифровка генетического кода человека, клонирование животных.

     Некоторые важнейшие этапы и открытия в  биологии и микробиологии будут рассмотрены более подробно в следующих лекциях. 

1.4 Сущность, возникновение  и развитие жизни.  Разнообразие форм  жизни 

     Существует  много определений, с разной степенью точности отражающих  жизнь как явление. Все они спорны. Никто еще точно, полно и однозначно не смог раскрыть понятие жизнь, определить, где и когда она возникла. Мы можем говорить только о разных гипотезах и определениях. Например, жизнь – это высшая форма материи, отличающаяся от других форм способностью к самовоспроизведению. Другое определение: жизнь – способ существования белковых тел с постоянным обменом с окружающей средой.

     Современное научное определение: жизнь – макромолекулярная открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ и тонко регулируемый поток энергии.

     Существуют  различные теории происхождения  жизни. Гипотеза об абиогенном происхождении жизни из неживой материи возникла еще в древние века (лягушка может появиться из грязи, мыши – из горсти зерна и грязных тряпок). Противоположная ей теория биогенеза говорит о том, что живое может возникнуть только из живого, которое существовало вечно (теория стационарного состояния). Существует также гипотеза панспермии – жизнь занесена из космоса, однако она не отвечает на вопрос: а как вообще возникла жизнь, пусть и на другой планете?

     Мы  будем рассматривать только научные  теории (т.е. прежде всего доказанные фактами), существуют и религиозные объяснения – по воле творца.

     Теория  абиогенеза вернулась уже на другом уровне в начале 20 века в виде теории необиогенеза Опарина-Холдейна (1928). Согласно этой теории первые живые одноклеточные организмы возникли путем эволюции из органических веществ, образовавшихся из неорганики, в результате химических реакций, протекавших в специфических условиях, сложившихся на Земле 3,5-3,8 млрд лет назад:

• бескислородная первичная атмосфера, содержащая в основном водород, метан, воду и аммиак;
• воздействие УФ-излучения, тепла вулканических процессов, электрических разрядов;
• наличие воды в виде жидкости (0-100° С, растворитель);
• наличие большого количества разнообразных химических элементов.

     Стадии  биогенеза (по Опарину-Холдейну):

1. Стадия неорганического фотосинтеза – образования органических веществ под действием мощного УФ-излучения.
2. Стадия коацервации (образования коацерватных капель)
3. Стадия образования оболочек и мембран.
4. Стадия появления метаболизма.
5. Стадия воспроизведения (редупликации).

     Так появились первые хемосинтезирующие  прокариотические клетки. Затем, в результате симбиоза нескольких типов прокариот, возникли более совершенные эукариотические клетки с автотрофным и гетеротрофным типом питания.

     В результате эволюции (в соответствии с современной теорией неодарвинизма) под воздействием таких факторов как изменчивость, естественный отбор, изоляция, популяционные волны происходило совершенствование структурной организации живых организмов (крупные изменение – ароморфозы, например, появление аэробного типа дыхания, многоклеточности, теплокровности). Кроме того, организмы приспосабливались к разнообразным условиям обитания (идиоадаптация). Приспособление происходило также путем упрощения строения (дегенерация, у паразитических форм). В результате на Земле можно наблюдать огромное разнообразие форм жизни.

     Все современные живые организмы подразделяются на две империи: неклеточные (вирусы) и клеточные. Клеточные разделяют на два надцарства – истинно ядерные (эукариоты) и доядерные (прокариоты). Ядерные включают царства грибы, растения, животные, доядерные – бактерии.

     В подцарстве эукариот есть одноклеточные и многоклеточные организмы. Царство животных делится на 26 типов, например, простейшие (Protozoa), Chordata  - хордовые, подтип позвоночные, классы – костные рыбы, земноводные, птицы, пресмыкающиеся, млекопитающие. Классы делятся на отряды, роды, виды. В настоящее время насчитывается около 1,5 млн животных (в т.ч. 0,9 млн насекомых), 0,5 млн видов растений. Идентифицированы тысячи видов бактерий, однако ведущие микробиологи считают, что это лишь малая доля существующих микроорганизмов. 

4. Свойства  живых систем

     Что отличает живую природу от неживой? Каковы свойства живой материи?

     В разных источниках на этот вопрос отвечают по-разному. Например, свойства живых  организмов можно изложить в следующей последовательности.

1. Самовоспроизведение (репродукция) – способность к воспроизведению себе подобных (размножению), в основе - передача наследственных признаков, носителем которых является ДНК в неизменном виде (наследственность) и возможность появления новых признаков (изменчивость); связанная с эти включенность в процесс эволюции.
2. Обмен веществ (метаболизм) – упорядоченность химических реакций, обеспечивающих клетку веществами и энергией (питание, дыхание, выделение).
3. Рост и развитие – увеличение числа и массы клеток (рост), их усложнение и дифференцирование (развитие).
4. Специфичность и упорядоченность структуры – каждое живое существо имеет определенную форм, размеры, строение, особенности обмена веществ, причем такая сложная система способна самосохраняться длительное время.
5. Внутренняя регуляция, раздражимость, возбудимость, движение (характерно для многоклеточных организмов, разные формы и механизмы).
6. Специфичность взаимоотношений со средой. В процессе эволюции каждый организм адаптировался к определенным условиям внешней среды и взаимодействию с другими живыми организмами; эти отношения специфичны для каждого организма, как и его воздействие на природу.

     ! Все свойства тесно связаны  между собой и определяют уровни  организации живых систем. 

5. Уровни  организации живых  систем

     Живая природа – иерархическая (соподчиненная) система, включает ряд уровней.