Лекция 1. Введение в биологию.

Лекция 1. Введение в биологию.

Биология – (от греч. биос – жизнь и логос – учение), наука о живых существах, их строении, функциях и свойствах. Вместе с физическими и химическими науками она относится к естественно-научным дисциплинам. Термин «биология» предложен в 1802 г. французским естествоиспытателем Жаном-Батистом Ламарком и немецким ботаником Готфридом-Рейнгольдом Тревиранусом (1776-1837) независимо друг от друга. Предмет биологии – все проявления жизни: разнообразие, строение и функции живых существ и их природных сообществ, распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой природой, как в настоящем, так и в прошлом. Задачибиологии – изучение закономерностей этих проявлений, раскрытие сущности жизни, систематизация живых существ.

Система биологических наук

Современная биология – это целый комплекс различных дисциплин, изучающих живые организмы. Она имеет развитую структуру.

Одними из первых в биологии сложились комплексные науки по объектам исследования:зоология – о животных, ботаника – о растениях, анатомия и физиология человека как основа медицины. В пределах этих разделов сформировались более узкие дисциплины, например в зоологии – протозоология (учение о простейших), энтомология (наука о насекомых), орнитология (о птицах), териология (наука о млекопитающих) и другие; в ботанике – альгология (наука о водорослях), бриология (изучает мхи), дендрология (о древесных растениях) и другие. В самостоятельные науки выделились антропология(наука о человеке), микробиология (учение о микроорганизмах), микология (наука о грибах),лихенология (изучает лишайники), вирусология (о вирусах). Современное многообразие организмов и распределение их по группам изучает таксономия или систематика. Изучением прошлой истории органического мира занимается палеонтология и ее разделы (палеозоология, палеоботаника, палеоэкология и пр.).

Другой аспект классификации биологических дисциплин – по исследуемым свойствам и проявлениям (механизмам) живого. Форму и строение организмов изучают морфологические дисциплины – цитология (наука о клетках), гистология (наука о тканях),анатомия (наука об органах и их системах). Состав и ультраструктуру тканей и клеток рассматривают биохимия, биофизика и молекулярная биология. Образ жизни различных организмов и их взаимоотношения с условиями среды обитания исследует экология и более специальные науки – гидробиология, биогеография, биогеоценология и т.п. Функции живых существ изучают физиология животных (в т.ч человека) и физиология растений. Закономерности поведения животных исследует этология. Закономерности наследственности и изменчивости – предмет исследования генетики. Закономерности индивидуального развития живых организмов изучает биология развития, а историческое развитие – эволюционное учение. Широкое проникновение математики в различные разделы биологии вызвало к жизни математическую биологию или биометрию.

В целом для биологии характерно взаимопроникновение идей и методов различных биологических дисциплин, а также других наук – химии, физики, математики. В 20 веке возникли новые биологические дисциплины и направления на границах смежных наук, а также в связи с практическими потребностями (радиобиология, космическая биология, физиология труда, социобиология и др.). Взаимообогащение физики, химии и биологии раскрывает новые законы мироздания, приводит к пониманию новых природных закономерностей.

Основные методы в биологии – описательный, сравнительный, сравнительно-исторический, экспериментальный, моделирование и компьютерный анализ. Современная биология широко использует методы физики, химии, математики.

Практическое значение биологии

Биологические знания крайне важны потому, что биология служит теоретической, фундаментальной основой для многих научных и прикладных направлений – медицины, сельского хозяйства, биотехнологии и др.

Еще Гиппократ отмечал: «Необходимо, чтобы каждый врач понимал природу». Во всех теоретических и практических медицинских науках используются общебиологические обобщения. Достижения молекулярной биологии, биохимии, микробиологии и смежных дисциплин позволяют бороться с различными заболеваниями человека на клеточном и субклеточном уровнях. Уже сейчас микробиологическая промышленность производит многие необходимые антибиотики, культивирует микроорганизмы, важные для различных отраслей биотехнологии. На основе биологических знаний решаются проблемы клонирования, генетической инженерии.

Совершенствование селекционной практики на основе законов генетики даёт возможность получать новые высокопродуктивные сорта растений, породы животных. Знание экологии промысловых видов животных, ценных представителей растительного царства позволяет планировать наиболее адекватные нормы изъятия, не снижающие, а повышающие естественную продуктивность. Значительное внимание уделяется созданию генетически модифицированных организмов, в том числе продуктов питания. Продолжают развиваться биологические методы борьбы с вредителями сельского и лесного хозяйства, ведутся работы по минимизации биоповреждений, совершенствованию профилактики природно-очаговых и паразитарных заболеваний.

Насущными задачами становятся создание режима биобезопасности, борьба с последствиями антропогенных загрязнений. При участии биологов оцениваются и проводятся мероприятия по интродукции, реинтродукции и акклиматизации. Использованием достижений биологии для решения инженерных задач и развития техники занимается сравнительно новая отрасль биологии – бионика. Ее разработки нашли применение в архитектуре и строительстве, в биомеханике, аэро- и гидродинамике, при создании локационных, навигационных и сигнальных систем, в практике дизайна и получения искусственных материалов, сравнимых с природными аналогами.

Основные свойства живого

Согласно определению М.В. Волькенштейна (1965), «живые организмы представляют собой открытые, саморегулирующиеся, самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот». Через живые открытые системы проходят потоки энергии, информации и вещества.

Живые организмы отличаются от неживых признаками, совокупность которых определяет их жизненные проявления. К основным свойствам живого относятся следующие.

1. Химический состав. Живые существа состоят из тех же химических элементов, что и неживые, но в организмах есть молекулы веществ, характерных только для живого (нуклеиновые кислоты, белки, липиды).

2. Дискретность и целостность. Любая биологическая система (клетка, организм, вид) состоит из отдельных частей, т.е. дискретна. Взаимодействие этих частей образует целостную систему (например, в состав организма входят отдельные органы, связанные структурно и функционально в единое целое). Различают пространственную и временную дискретность. Пространственная дискретность нарушается во время оплодотворения с целью обеспечения непрерывности живой материи. Дискретность во времени означает, что любой организм на Земле имеет конечное время существования. Смерть – неотъемлемое свойство жизни на планете. Приспособление к меняющимся условиям происходит только через смену поколений.

3. Структурная организация. Живые системы способны создавать порядок из хаотичного движения молекул, образуя определенные структуры. Для живого характерна упорядоченность в пространстве и времени. Это комплекс сложных саморегулирующихся процессов обмена веществ, протекающих в строго определенном порядке, направленном на поддержание постоянства внутренней среды.

4. Раздражимость и движение. Все живое избирательно реагирует на внешние воздействия специфическими реакциями благодаря свойству раздражимости. Растительные организмы реагируют на раздражители в виде тропизмов (реакций в виде изменения направления роста или положения органа). Животные организмы отвечают на воздействие движением. Проявление формы движения зависит от структуры организма.

5. Саморегуляция и гомеостаз. Действие разнообразных раздражителей внешней среды приводит к изменению состояния живого организма. Способность организма противостоять изменчивости окружающей среды обеспечивается саморегуляцией и поддержанием гомеостаза. Гомеостаз – динамическое постоянство внутренней среды организма, одно из основных условий существования живого. Гомеостаз поддерживается координированной деятельностью клеток, тканей и органов организма. Механизмы поддержания гомеостаза лежат в основе приспособления организма к изменяющимся условиям существования, его адаптации.

6. Обмен веществ и энергии. Живые организмы – открытые системы, совершающие постоянный обмен веществом и энергией с окружающей средой. Обмен веществ, илиметаболизм, – это совокупность всех последовательных физико-химических изменений, которые претерпевают вещества от момента поступления в организм до образования конечных продуктов распада и их выделения из организма. При изменении условий среды происходит саморегуляция жизненных процессов по принципу обратной связи, направленная на восстановление гомеостаза. Процессы метаболизма обеспечивают все проявления жизнедеятельности организма.

7. Самовоспроизведение и самообновление. Время существования любой биологической системы ограничено. В связи с необходимостью поддержания жизни происходит процесс самовоспроизведения, предполагающий образование новых молекул и структур, несущих генетическую информацию, находящуюся в молекулах ДНК. Процесс самовоспроизведения реализуется через различные формы размножения. Различают два способа размножения организмов – бесполое и половое.

8. Наследственность и изменчивость. Молекула ДНК способна хранить и передавать наследственную информацию благодаря матричному принципу репликации, обеспечивая материальную преемственность между поколениями. При передаче наследственной информации иногда возникают различные отклонения, приводящие к изменению признаков и свойств у потомков. Если эти изменения благоприятствуют жизни, они могут закрепиться отбором.

9. Рост и развитие. Организмы наследуют определенную генетическую информацию о возможности развития тех или иных признаков. Реализация информации происходит во время индивидуального развития – онтогенеза. На определенном этапе онтогенеза осуществляется рост организма – увеличение размеров за счет биосинтеза собственных структур. Рост обусловлен увеличением количества клеток и их производных. Рост живого организма сопровождается развитием – необратимым процессом количественных и качественных изменений с момента рождения до смерти.

10. Эволюция. Все вышеперечисленные свойства проявляются на уровне организма или сообщества организмов. Эволюция есть атрибут жизни на Земле в целом и характеризуется повышением уровня организации ведущих представителей каждой последующей геологической эпохи по сравнению с предшествующей.