Биология – предмет, который раскрывает основные закономерности жизненных явлений

Биология – наука о живой природе, изучающая жизнь, как особую форму материи, законы ее существования и развития. Биология, прежде всего, это комплекс знаний о жизни и совокупность научных дисциплин (более 300), которые изучают живое: химический состав, тонкую и грубую структуру, распространение, функционирование, его прошлое, настоящее и будущее, а также практическое значение и применение. Термин «биология» в современном понимании введен одновременно в 1802 г. Ж.-Б. Ламарком и немецким естествоиспытателем Г. Р. Тревиранусом.

Предмет исследования биологии – все проявления жизни:

- строение и функции, развитие и распространение живых организмов ( прокариот, протист, растений, грибов, животных и человека);

- строение, функции и развитие природных сообществ, их связь друг с другом и окружающей средой;

- историческое развитие и эволюция живых организмов.

Задачи, которые решает биология:

- выявление и объяснение общих свойств и многообразия живых организмов;

- познание закономерностей в строении и функционировании живых систем разных рангов, их взаимосвязей, устойчивости и динамичности;

- изучение исторического развития органического мира;

- составление на основе полученных данных научной картины мира;

- обеспечение сохранности биосферы и способности природы к самовоспроизведению.

Методы, используемые для решения задач:

- наблюдение: дает возможность описать биологические явления;

- сравнение: позволяет найти закономерности, общие для различных явлений;

- экспериментальный (опыт): исследователь искусственно создает ситуацию, которая помогает изучить свойства биологических объектов;

- моделирование: с помощью компьютерных технологий имитируются отдельные биологические процессы или явления (поведение биологической системы в заданных параметрах):

- исторический: позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом изучать процессы развития живой природы (впервые применил Ч. Дарвин).

Для описания и исследования биологических процессов биологи используют также методы: химические, физические, математические, технических наук, географии, геологии, геохимии и т. д. В результате возникают смежные (пограничные) дисциплины – биохимия, биофизика, почвоведение, радиобиология, радиоэкология и т. д.

Все науки можно классифицировать:

· по предмету изучения:

- зоология (изучает происхождение, строение и развитие животных, их образ жизни, распространение на земном шаре), включающая более узкие дисциплины – энтомологию (о насекомые), орнитологию (о птицах), ихтиологию (о рыбах), териологию (о млекопитающих);

- ботаника (изучает распространительные организмы, их происхождение, строение, развитие, жизнедеятельность, свойства, разнообразие, классификацию, а также структуру, развитие и расположение на земной поверхности растительных сообществ – фитоценозов), в пределах которой выделяют бриологию (о мхах), дендрологию (о деревьях);

- микробиология ( микроорганизмы);

- микология ( грибы);

- лихенология ( лишайники);

- альгология ( водоросли);

- вирусология ( вирусы);

- гидробиология (изучает организмы, обитающие в водной среде) и др.;

· по исследованию свойств организма:

- анатомия и морфология (предметом их изучения являются внешнее и внутреннее строение и форма организмов);

- физиология (изучает функции живых организмов, их взаимную связь, зависимость от внешних и внутренних условий); подразделяется на физиологию человека, физиологию животных, растений и т. д.;

- цитология (изучает клетку, как структурную и функциональную единицу организмов;

- гистология (изучает строение тканей организмов животных);

- эмбриология и биология индивидуального развития (изучает закономерности индивидуального развития);

- экологию (изучает образ жизни животных и растений в их взаимосвязи с условиями внешней среды) и т. д.

· по использованию определенных методов исследования:

- биохимия (изучает химический состав организмов, структуру и функции химических веществ химическими методами);

- биофизика (изучает физические и физико-химические явления в клетках и организмах с применением физических методов);

- биометрия (на основе обмера живых тел, их частей, процессов и реакций и последующего вычисления проводит математическую обработку данных с целью установления зависимостей, закономерностей, незаметных при описании отдельных явлений и процессов) и др.;

- генетика (изучает закономерности наследственности и изменчивости);

· по практическому применению биологических знаний:

- биотехнология (совокупность промышленных методов, позволяющих с высокой эффективностью использовать живые организмы для получения ценных продуктов – антибиотиков, аминокислот, белков, витаминов, гормонов и др., для защиты растений от вредителей и болезней, для юорьбы с загрязнением окружающей среды, в очистных сооружениях и т. д.);

- агробиология (комплекс знаний о возделывании сельскохозяйственных культур);

- селекция (наука о методах создания сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными для человека свойствами);

- животноводство, ветеринария, медицинская биология, фитопатология и др.;

· по изучению уровня организации живого:

- молекулярная биология (исследует жизненные явления на молекулярно-генетическом уровне и учитывает значение трехмерной структуры молекул);

- цитология и гистология (изучают клетки и ткани живых организмов);

- популяционно-видовая биология (изучает популяции);

- биоценология (изучает биогеоценозы);

- общая биология (изучает общие закономерности, раскрывающие суть жизни);

- биогеография (изучает общие закономерности географического распространения живых организмов на Земле;

- систематика (изучает многообразие организмов и распределение их по группам);

- палеонтология (изучает историю органического мира по останкам животных и растений);

- эволюционное учение (изучает историческое развитие живой природы и многообразие органического мира).

Практическое значение и применение достижений современной биологии:

1. Биология – теоретическая база многих наук.

2. Знания биологии необходимы для осмысления места человека в системе природы, понимания взаимосвязей организмов и окружающей их неживой природы.

3. Биология оказывает определяющее влияние на прогресс сельскохозяйственного производства и медицины:

- охрана окружающей среды;

- распознавание, профилактика и лечение заболеваний растений, животных и человека;

- расширение масштабов рыбоводства и звероводства;

- вовлечение в хозяйственный оборот новых территорий;

- развитие селекции микроорганизмов, растений и животных;

- прогнозирование экологических ситуаций в различных регионах и состояния биосферы в целом.

4. Биологическая подготовка занимает особое место в системе медицинского образования.

5. Многие биологические принципы и положения

- используются в технике:

-являются основой ряда производств пищевой, легкой, микробиологической и др. отраслей промышленности .

6. Широко внедряются современные биотехнологии, созданные на базе клеточной и генной инженерии (получение штаммов микроорганизмов, способных синтезировать человеческий инсулин, соматотропный гормон, интерфероны, иммуногенные препараты, вакцины и др.).

7. Познание закономерностей размножения и распространения вирусов, болезнетворных бактерий, протист, червей необходимо для борьбы с инфекционными и паразитарными заболеваниями человека, животных и растений.

8. Генетические исследования позволили разработать методы ранней (пренатальной) диагностики, лечения и профилактики многих наследственных болезней человека.

Самообновление – способность организмов постоянно обновлять структурные элементы – молекулы, ферменты, органоиды, клетки – путем замены «износившихся», выполнивших свои функции (форменные элементы крови, клетки эпидермиса кожи и т. д.). При этом организмы используют вещества и энергию, которые поступают в клетки (поток вещества и энергии). Самообновление обеспечивают обмен веществ и преобразование энергии, реакции матричного синтеза, дискретность.

Самовоспроизведение – способность живых организмов производить себе подобных с сохранением у потомков строения и функций родительских форм. При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей: кошки рожают котят, собаки - щенков. Из семян одуванчика опять вырастет одуванчик. Размножение и обеспечивает свойство самовоспроизведения. Процесс самовоспроизведения осуществляется практически на всех уровнях организации. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органоиды клеток (митохондрии, пластиды) после деления сходны со своими предшественниками. Из одной молекулы ДНК при ее удвоении образуются две дочерние молекулы, полностью повторяющие исходную. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т. е. образование новых молекул и структур на основе информации (поток информации), заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. Следовательно, самовоспроизведение тесно связано с явлением наследственности.

Саморегуляция – способность организмов в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов (гомеостаз) на основе потока вещества, энергии и информации. При этом недостаток поступления питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Саморегуляция осуществляется разными путями благодаря деятельности регуляторных систем – нервной и эндокринной – и основана на принципе обратных связей: сигналом для включения той или иной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы. Так, повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы инсулина, уменьшающего содержание этого сахара в крови; снижение уровня глюкозы в крови замедляет выделение гормона в кровяное русло. Уменьшение числа клеток в ткани (при пилинге, дермабразии кожи, в результате травмы) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток; восстановление нормального количества клеток дает сигнал о прекращении интенсивного клеточного деления).

Из других свойства, характерных для живого, некоторые в той или иной мере похожи на процессы, протекающие в неживой природе.

Единство химического состава. Живые организмы достаточно четко отграничены от неживого своим химическим составом (нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и т. д.). Живые существа состоят из тех же элементов, что и объекты неживой природы. Но они образуют в организме сложные молекулы, в неживой природе не встречающиеся. Кроме того, различны и соотношения этих элементов в живом и неживом. Если элементарный состав неживой природы наряду с кислородом представлен кремнием, железом, магнием, алюминием и т. д., то в живых организмах 98% химического состава приходится только на четыре элемента – углерод, азот, водород и кислород. Кроме того, все живые организмы построены в основном из четырех групп сложных органических молекул: белков, углеводов, липидов и нуклеиновых кислот. Следует отметить и тот факт, что состав химических элементов в разных средах неживой природы, в отличие от живых организмов, разный. В гидросфере преобладает водород и кислород, в атмосфере – азот и кислород, в литосфере – кремний и кислород.

Обмен веществ и преобразование энергии. Это общее свойство всего живого представляет собой совокупность всех химических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих сохранение и воспроизведение жизни. Организм– открытая система, находящаяся в устойчивом стационарном состоянии: скорость непрерывного поступления веществ и энергии из среды уравновешивается скоростью непрерывного переноса веществ и энергии из системы.

Организм потребляет из окружающей среды вещества и энергию, использует их для обеспечения химических реакций, а затем возвращает в среду но уже в другой форме, эквивалентное количество энергии (в виде тепла) и вещества (в виде продуктов распада). Организмы потребляют вещества из окружающей среды в процессе питания. Автотрофы – растения, большинство протистов и некоторая часть прокариот, способные к фотосинтезу, сами создают органические вещества из неорганических с помощью энергии света. Гетеротрофы – животные, грибы, часть протистов и большинство прокариот используют органические вещества других организмов, расщепляют их ферментами и усваивают продукты расщепления.

Значительная часть органических веществ (углеводы, белки, липиды), поступающих в результате автотрофного или гетеротрофного питания, содержат в химических связях энергию. В процессе дыхания эта энергия высвобождается и аккумулируется в АТФ. Конечные продукты обмена, зачастую токсичные, в процессе выделения, или экскреции выводятся из организма.

Таким образом, для организмов характерны обмен веществ с окружающей средой и энергозависимость. Обмен веществ и преобразование энергии обеспечивают постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды. Другие признаки – рост, раздражимость, наследственность, изменчивость, размножение – все это результат обмена веществ и его проявление.

Размножение. При размножении организмы производят себе подобных и увеличивают тем самым количество особей. В процессе размножения из поколения в поколение передаются признаки, свойства и особенности развития организмов данного вида. Благодаря размножению численность вида поддерживается в течение длительного времени на определенном уровне. Смена поколений обеспечивается половым и бесполым размножением.

Наследственность. Заключается в способности организмов при воспроизведении передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. В основе наследственности лежит стабильность носителей генетической информации, т. е. постоянство строения молекул ДНК. Генетическая информация, заключенная в ДНК, определяет возможные пределы развития организма, его структур, функций и реакций на окружающую среду. В то же время потомки обычно бывают похожи на своих родителей, но не идентичны им.

Изменчивость. Способность организмов приобретать в ходе онтогенеза новые свойства и признаки и утрачивать старые, называется изменчивостью. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней, так как при этом изменяются гены, определяющие развитие тех или иных признаков. Если бы репродукция матриц – молекул ДНК – всегда происходила с абсолютной точностью, то при размножении организмов осуществлялась бы преемственность только существовавших прежде признаков, и приспособление видов к меняющимся условиям среды оказалось бы невозможным. Следовательно, изменчивость – это способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которой лежат изменения молекул ДНК. Таким образом, самоудвоение молекул ДНК делает возможным не только сохранение у потомков наследственных особенностей родителей, но и отклонение от них, т. е. изменчивость, в результате которой организмы приобретают новые признаки и свойства. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора, т. е. отбора наиболее приспособленных особей к конкретным условиям существования в природных условиях, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

Рост и развитие. Независимо от способа размножения (бесполое или половое) все дочерние особи образующиеся из одной зиготы, споры, почки или клетки, получают по наследству только генетическую информацию, т. е. возможность проявлять те или иные признаки и свойства. Новый организм реализует полученную наследственную информацию в ходе роста и развития. Развитие – изменение внешнего или внутреннего строения организма. Развитие живых организмов представлено онтогенезом (индивидуальным развитием) и филогенезом (историческим развитием). На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма (проявление цвета глаз, способность держать голову, сидеть, ходить, появление зубов и т. д. у детей). Развитие сопровождается ростом – постепенным увеличением размеров развивающегося организма, за счет процесса увеличения количества клеток и накоплением массы внеклеточных образований в результате обмена веществ.В процессе развития возникает специфическая структурная организация индивида, а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток. При смене многочисленных поколений происходит изменение видов, или филогенез (эволюция) – это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни.

Раздражимость. В процессе эволюции у организмов выработалось свойство избирательно реагировать на воздействия внешней или внутренней среды – раздражимость. Например, у млекопитающих при повышении температуры тела кровеносные сосуды кожи расширяются, рассеивая избыточное тепло и тем самым восстанавливая оптимальная температура тела.

Любое изменение условий среды, окружающих организм, является раздражителем, а реакция организма на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости. Наиболее яркой формой проявления раздражимости является движение. У растений – это тропизмы и настии, у протист – таксисы; реакции многоклеточных организмов - рефлексы, осуществляющиеся посредством нервной системы. Сочетание «раздражитель – реакция» могут накапливаться в виде опыта и использоваться организмом в дальнейшем.

Адаптация к окружающей среде. Живые организмы не только хорошо приспособлены к среде обитания, но и прекрасно соответствуют своему образу жизни. Особенности строения, жизнедеятельности и поведения, обеспечивающие выживание и размножение в их среде обитания, называются адаптациями (приспособлениями).

Дискретность и целостность. Дискретность – это всеобщее свойство материи: каждый атом состоит из элементарных частиц, атомы образуют молекулу. Простые молекулы входят в состав сложных соединений или кристаллов и т. д.. Живые системы резко отличаются от неживых объектов своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. В то же время отдельный организм, или иная биологическая система (вид, биогеоценоз и др.), дискретен и целостен, т. е. состоит из отдельных изолированных (обособленных и отграниченных в пространстве), но в тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих функциональное единство. Любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи образует пространственно отграниченные органы, которые, в свою очередь, состоят из отдельных клеток. Энергетический аппарат клетки представлен митохондриями, аппарат синтеза белка – рибосомами и т. д. вплоть до макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты и т. д.), каждая из которых может выполнять свою функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности, она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида определяет возможность его эволюции путем гибели или устранения из размножения неприспособленных особей и сохранения индивидов с полезными для выживания признаками.