Биология (от греч. биос - жизнь и логос - учение) - это наука о жизни. Термин был предложен в 1802 году французским ученым Ж.Б. Ламарком.

Предметом биологии является жизнь во всех ее проявлениях: физиология, строение, индивидуальное развитие (онтогенез), поведение, историческое развитие (филогенез, эволюция), взаимоотношения организмов между собой и окружающей средой.

Современная биология является комплексом, системой наук. В зависимости от объекта исследования различают такие биологические науки, как: наука о вирусах - вирусология, наука о бактериях - бактериология, наука о грибах - микология, наука о растениях - ботаника, наука о животных - зоология и т. п. Почти каждая из этих наук делится на более мелкие: наука о водорослях - альгология, наука о мхах - бриология, о насекомых - энтомология, о млекопитающих - маммалиология и т. п. Теоретическим фундаментом медицины являются анатомия и физиология человека. Наиболее универсальные свойства и закономерности развития и существования организмов и их групп изучает общая биология.

Возникли науки, изучающие общие закономерности жизни: генетика - наука об изменчивости и наследственности, экология - наука о взаимоотношениях организмов между собой и средой обитания, эволюционное учение - наука о закономерностях исторического развития живой материи, палеонтология исследует вымершие организмы.

В разных областях биологии все большее значение имеют дисциплины, связывающие биологию с другими науками: физикой, химией и т. п. Возникают такие науки, как биофизика, биохимия, бионика, биокибернетика. Биокибернетика (от греч. биос - жизнь, кибернетике - искусство управления) - это наука об общих закономерностях управления и передачи информации в живых системах.

Биологические науки - это база для развития растениеводства, животноводства, биотехнологий, медицины и т. п. С их помощью можно решить такие важные задачи, как обеспечение человечества продуктами питания, преодоление болезней, стимуляция процессов обновления организма, генетическая коррекция дефектов у людей с наследственными болезнями, для интродукции и акклиматизации организмов, для получения биологически активных и лекарственных веществ, для разработки средств биологической защиты растений и т. п.

Этапы развития биологии

Выдающиеся биологи: Аристотель, Теофраст, Теодор Шванн, Маттиас Шлейден, Карл М. Бэр, Клод Бернар, Луи Пастер, Д. И. Ивановский

Биология как наука возникла с потребностью систематизировать знания о природе, объяснить накопленные знания, опыт о жизни растений и животных. Основателем биологии считают известного древнегреческого ученого Аристотеля (384-322 гг. до н. э.), положившего начало систематике, описавшего многих животных, решавшего некоторые вопросы биологии. Его ученик Теофраст (372-287 гг. до и. э.) основал ботанику.

Систематическое научное исследование природы началось с эпохи Возрождения. С накоплением конкретных знаний о природе, с представлением о многообразии организмов возникла идея единства всего живого. Этапы развития биологии - это цепь великих открытий и обобщений, подтверждающих эту идею и раскрывающих ее содержание.

Развитие микроскопической техники с конца XVI ст. обусловило открытие клеток и тканей живых организмов. Важным научным свидетельством единства живого стала клеточная теория Т. Шванна и М. Шлейдена (1839 г.). Все организмы состоят из клеток, которые хотя и имеют определенные отличия, но в целом построены и функционируют одинаково. К. М. Бэр (1792-1876 гг.) разработал теорию зародышевого сходства, заложившую основу для научного объяснения закономерностей эмбрионального развития. К. Бернар (1813-1878 гг.) изучал механизмы, обеспечивающие постоянство внутренней среды организма животных. Невозможность самозарождения микроорганизмов доказал французский ученый Л. Пастер (1822-1895 гг.). В 1892 году русским ученым Д. И. Ивановским (1864-1920 гг.) были открыты вирусы.

Выдающиеся биологи: Грегор Мендель, Гуго Де Фриз, Карл Корренс, Эрих Чермак, Томас Морган, Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик, Ж. Б. Ламарк

Открытие законов наследственности принадлежит Г. Менделю (1865 г.), Г. Де Фризу , К. Корренсу , Э. Чермаку (1900 г.), Т. Моргану (1910-1916 гг.). Открытие структуры ДНК - Дж. Уотсону и Ф. Крику (1953 г.).

Выдающиеся биологи: Чарльз Дарвин, А. Н. Северцов, Н. И. Вавилов, Рональд Фишер, С. С. Четвериков, Н. В. Тимофеев-Ресовский, И. И. Шмальгаузен

Творцом первого эволюционного учения был французский ученый Ж.Б. Ламарк (1744-1829 гг.). Основы современной теории эволюции разработал английский ученый Ч. Дарвин (1858 г.). Дальнейшее развитие она получила благодаря достижениям генетики и популяционной биологии в научных работах А. Н. Северцова, Н. И. Вавилова, Р. Фишера, С. С. Четверикова, Н. В. Тимофеева-Ресовского, И. И. Шмальгаузена . Появление и развитие математической биологии и биологической статистики обусловили работы английского биолога Р. Фишера (1890-1962 гг.).

В конце XX века значительных успехов достигла биотехнология, то есть использование живых организмов и биологических процессов в промышленности.

Выдающиеся биологи

Выдающиеся биологи: М. А. Максимович, И. М. Сеченов, К. А. Тимирязев, И. И. Мечников, И. П. Павлов, С. Г. Навашин, В. И. Вернадский, Д. К. Заболотный

Развитию биологии посвятили свою жизнь замечательные ученые.

М. А. Максимович (1804-1873) - основоположник ботаники.

И. М. Сеченов (1829-1905) - основатель физиологической школы, обосновавший рефлекторную природу сознательной и бессознательной деятельности, создатель объективной психологии поведения, сравнительной и эволюционной физиологии.

К. А. Тимирязев (1843-1920) - выдающийся естествоиспытатель, раскрывший закономерности фотосинтеза как процесса использования света для образования органических веществ в растении.

И. И. Мечников (1845-1916) - один из основоположников сравнительной патологии, эволюционной эмбриологии, создатель научной школы, разработавший фагоцитарную теорию иммунитета.

И. П. Павлов (1849-1936) - выдающийся физиолог, создатель учения о высшей нервной деятельности, автор классических трудов по теории пищеварения и кровообращения.

В. И. Вернадский (1863-1945) - основоположник биогеохимии, учения о живом веществе, биосфере, ноосфере.

Д. К. Заболотный (1866-1929) - выдающийся микробиолог, исследователь особо опасных инфекций и другие.

Зададимся следующим вопросом. Какую информацию нужно сообщить разумному и заинтересованному, но несведущему в биологии человеку, чтобы он начал более-менее разбираться в этой науке и мог понимать значение актуальных биологических открытий?
С сегодняшнего дня я попробую начать серию постов, отвечающих на этот вопрос. Предполагаемого адресата изложенной в них информации я берусь определить как "образованного небиолога". То есть это человек, имеющий мало-мальскую подготовку в какой-то другой области (с соответствующий привычкой разбираться в сложных вещах), но не имеющий никакой химической или биологической базы. Уровня "когда-то что-то учил в школе, но все забыл" для начала вполне хватит. Отбор материала, естественно, мой, и за пределами совсем уж азбуки он довольно субъективен. Там, где упоминается какая-то спорная или новая информация, я ставлю ссылки на статьи. Что касается названия всего цикла постов, то его можно было бы определить как "Введение в биологию", но на самом деле я бы добавил к слову "биология" прилагательное "клеточная", потому что волей-неволей 90% тех фактов, которые для начала нужно усвоить, относятся именно к клетке и ее составным частям.

Тема I
УГЛЕРОД

“Ничто в биологии не имеет смысла иначе как в свете эволюции” (). Этот тезис можно поставить в начале любого биологического учебного курса (по крайней мере вводного, потому что слушателям продвинутых курсов напоминать такие очевидности уже не требуется). Понимать его надо совершенно буквально, как руководство к действию. Любая особенность любой живой системы есть результат какого-то исторического события. Мы очень скоро увидим, что это касается даже такой в буквальном смысле элементарной вещи, как то, из каких атомов живые организмы состоят. А уж тем более - всего более сложного.
Вначале бросим беглый взгляд на эволюцию Вселенной в целом:

Временная шкала тут совершенно не в масштабе, но это пока неважно. Гораздо важнее, что эта схема выстраивает в единую последовательность события разного характера - от Большого взрыва до начавшейся на Земле в XVIII веке промышленной революции. Такой подход, объединяющий в единое повествование всю эволюцию от физической и химической до социальной, называется "большой историей" (Big History); вот примерно в его русле мы и будем двигаться. Пока отметим для себя даты всего лишь двух событий: Большого взрыва - то есть, по общепринятой космологии, возникновения Вселенной как таковой - и появления жизни на Земле. Большой взрыв произошел примерно 13,8 миллиардов лет назад, а первые следы жизни на Земле имеют возраст 3,8 миллиарда лет. Это означает, что к моменту появления жизни в Солнечной системе возраст Вселенной уже составлял около 10 миллиардов лет. И все это время там происходили разные события, иные из которых как раз и создали нужные для существования жизни предварительные условия. Жизнь не случайно возникла далеко не сразу; скорее всего, она могла бы и не возникнуть вообще, если бы физические процессы пошли немного другими путями.
Вот из чего состоит современная Вселенная:

Слово "современная" надо подчеркнуть, потому что несколько миллиардов лет назад соотношения совершенно точно были другими. На диаграмме мы видим три составляющих:
● Обычная материя, состоящая из атомов (4,9%).
● Темная материя, не проявляющая никаких наблюдаемых свойств, кроме гравитационных (26,8%).
● Темная энергия, про которую вообще неизвестно, связана ли она хоть с какими-нибудь телами (68,3%).
Все известные нам живые системы состоят из атомов. Примеры чего-то иного пока можно найти только в фантастической литературе - например, у Станислава Лема в "Солярисе" описаны живые организмы, собранные из нейтрино. А занимаясь обычной биологией, нам придется иметь дело исключительно с атомами и их устойчивыми комбинациями, то есть молекулами.
Итак, атомы. Уже довольно давно известно, что любой атом состоит из электронов, протонов и нейтронов:

Протоны и нейтроны образуют ядро атома, электроны - внешнюю оболочку. Протоны электрически заряжены положительно, электроны - отрицательно, нейтроны заряда не имеют; по величине отрицательный заряд электрона строго равен положительному заряду протона. Таким параметром, как число нейтронов, мы в большинстве случаем можем спокойно пренебречь (если только не будет специального разговора об изотопах). Электроны и протоны, наоборот, важны для нас с самого начала. Число протонов - параметр, который иначе называется атомным номером (Z) и определяет положение данного типа атомов в периодической системе элементов, то есть в таблице Менделеева. Число электронов обычно равно числу протонов. Если число электронов вдруг отличается от числа протонов, значит, мы имеем дело с заряженной частицей - ионом .
На картинке выше изображен приведенный исключительно для примера атом гелия (Z=2), в состав которого входят два протона, два нейтрона и два электрона. Самый простой атом - водород (Z=1) - состоит из одного протона и одного электрона; нейтронов в нем может и вовсе не быть. Если лишить атом водорода единственного электрона, останется положительно заряженный ион, представляющий собой не что иное, как протон.

Самый важный для нас тип взаимодействия атомов - ковалентная связь , образуемая общей электронной парой (по одному электрону от каждого атома). Электроны этой пары принадлежат обоим атомам сразу. Кроме одинарных, ковалентные связи бывают двойными (в биологии довольно часто) или тройными (в биологии редко, но все-таки возможно).

Гораздо реже ковалентной (по крайней мере в биологии) встречается ионная связь , представляющая собой электрическое притяжение самостоятельных заряженных частиц, то есть ионов. Положительный ион (катион) и отрицательный ион (анион) притягиваются друг к другу. Cам термин “ион” предложен Майклом Фарадеем (Michael Faraday) и происходит от греческого слова, означающего “идущий”. Пример ионной связи - поваренная соль NaCl, формулу которой вполне можно переписать как .

Чтобы в первом приближении разобраться в устройстве живой клетки, достаточно знать всего пять химических элементов: водород (H), углерод (C), кислород (O), азот (N) и фосфор (P). Самое главное, что нам необходимо знать о любом элементе - это его валентность , то есть число ковалентных связей, которые может образовать данный атом. Валентность водорода равна 1, валентность углерода 4, валентность азота 3, валентность кислорода 2 и валентность фосфора 5. Эти числа надо просто запомнить. У некоторых перечисленных элементов иногда встречаются и другие валентности, но, занимаясь биологией, это можно игнорировать во всех случаях, кроме немногочисленных особо оговоренных.


Вот они, основные химические слагаемые жизни. Валентности этих элементов настолько важны, что повторим их еще раз: водород - 1, углерод - 4, кислород - 2, азот - 3, фосфор - 5. Каждая черточка обозначает одну ковалентную связь.

Не подлежит сомнению, что большинство атомов во Вселенной - это атомы водорода и гелия. Числа на приведенной картинке относятся не к современной Вселенной, а к состоянию примерно 13 миллиардов лет назад (Caffau et al., 2011). Но и сейчас все элементы, кроме водорода и гелия, составляют в сумме не больше 2% атомов. Между тем очевидно, что из водорода, валентность которого всего лишь 1, и гелия, который вообще неохотно образует химические связи, никаких сложных молекул не построишь.

Посмотрев на график обилия химических элементов во Вселенной, мы сразу же видим, что самые распространенные после водорода и гелия элементы - кислород, углерод и азот.
По горизонтальной оси на этом графике атомный номер, по вертикальной - распространенность элемента в логарифмическом масштабе - это означает, что “ступенька” на вертикальной оси означает разницу не на единицу, а в 10 раз. Очень хорошо видно, насколько водород и гелий превосходят своим количеством все другие элементы. В области лития, бериллия и бора - провал, потому что эти ядра неустойчивы по своим физическим свойствам: они относительно легко синтезируются, но так же легко и распадаются. Ядро железа, наоборот, крайне устойчиво; многие ядерные реакции на нем заканчиваются, поэтому железо дает высокий пик. Но самые распространенные после водорода и гелия элементы - все равно кислород, углерод и азот. Именно те, которые стали химическими “кирпичиками” жизни. Вряд ли это случайность.
Бросается в глаза, что предыдущий график отчетливо зубчатый. Элементы с четными номерами в среднем встречаются намного чаще, чем элементы “примерно того же достоинства” с нечетными. Первым это отметил Уильям Дрэпер Харкинс (William Draper Harkins), и он же предложил разгадку: дело в том, что ядра тяжелых элементов образуются в основном за счет слияния более простых ядер. Очевидно, что при объединении двух одинаковых ядер в любом случае получится элемент с четным числом протонов, то есть с четным атомным номером (Harkins, 1931). Дальше образовавшиеся ядра комбинируются друг с другом - например, горение гелия (Z=2) дает сначала неустойчивые короткоживущие ядра бериллия (Z=4), потом ядра углерода (Z=6), а потом и кислорода (Z=8).

До начала звездообразования во Вселенной были только водород, гелий и следовые количества лития (у которого Z=3). Все элементы тяжелее лития синтезируются внутри звезд и распространяются в результате взрывов сверхновых (Burbidge et al., 1957). Это означает, что живым системам было просто не из чего образоваться, пока не закончился жизненный цикл хотя бы первого поколения звезд и эти звезды не взорвались.

Вот авторы знаменитой статьи о синтезе химических элементов в звездах: Маргарет Бербидж (Eleanor Margaret Burbidge), Джеффри Бербидж (Geoffrey Ronald Burbidge), Уильям Фаулер (William Alfred Fowler) и Фред Хойл (Fred Hoyle). Эту статью часто называют по инициалам авторов “B 2 FH” ("бэ-квадрат-эф-аш"). На фотографии запечатлен 60-й день рождения Фаулера - коллеги подарили ему действующую модель паровоза.
Статья B 2 FH опровергла гипотезу Георгия Гамова (George Gamov), который считал, что ядра всех элементов синтезировались прямо во время Большого взрыва и с тех пор их концентрации остаются постоянными. На самом деле гораздо вероятнее, что в первые миллиарды лет после Большого взрыва Вселенная была водородно-гелиевой, а потом стала постепенно обогащаться тяжелыми элементами с помощью сверхновых звезд. "Тяжелыми элементами" мы сейчас называем все, что тяжелее гелия или, в крайнем случае, лития.

Примерно так выглядит простейшая схема влияния сверхновых звезд на элементный состав Вселенной. Нельзя не заметить, что теория B 2 FH (если она верна) сама по себе является полностью достаточным доказательством эволюции, и была бы таковым, даже если бы никаких чисто биологических доказательств не существовало. В древней водородно-гелиевой Вселенной никакой жизни возникнуть не могло. Эволюция - это космологический факт, имеющий такое же отношение к физике и химии, как и к биологии.

Химия известных нам живых систем целиком основана на соединениях углерода. Самое простое из них - метан (CH 4), молекула которого изображена здесь четырьмя разными способами. На первой картинке показаны очертания электронных облаков. На второй - расположение атомов в объеме и углы между химическими связями. На третьей - электронные пары, которые эти связи образуют. А четвертая картинка - это простейшая графическая формула. Каждая ковалентная связь на ней обозначена черточкой. Дальше мы в основном именно такими формулами и будем пользоваться.

Соединения, состоящие только из углерода и водорода, называются углеводородами . Как правило, они биохимически неактивны. Большинство соединений углерода, участвующих в обмене веществ, содержит как минимум еще и кислород, то есть к углеводородам не относится. На картинке изображены четыре самых простых углеводорода - метан (CH 4), этан (C 2 H 6), пропан (C 3 H 8) и бутан (C 4 H 10).

Четырехвалентность углерода открыл Фридрих Август Кекуле (Friedrich August Kekule). Вскоре он применил это знание, определив структурную формулу бензола (C 6 H 6); именно в процессе этой работы ему приснился знаменитый сон про несколько переплетающихся змей. Но значение открытий Кекуле на самом деле гораздо больше. Четырехвалентность углерода - один из важнейших фактов, помогающих понять, как в целом устроены живые системы.
Что касается молекулы бензола, то она, как видим, содержит шесть атомов углерода, соединенных в шестичленный цикл с чередующимися одинарными и двойными связями. Однако на самом деле все шесть связей между атомами углерода в бензоле одинаковы: электроны, образующие двойные связи, делокализованы (“размазаны”) между ними, и в результате можно сказать, что все эти связи - как бы "полуторные".

Структура, заключенная тут внутри уробороса, называется бензольным кольцом или ароматическим ядром . Атомы углерода и водорода в нем уже не подписаны, поскольку их расположение очевидно. Ароматическое ядро часто входит в состав других молекул, в том числе и биологически активных. Обозначать его принято шестиугольником с кругом внутри - этот круг символизирует систему из трех взаимодействующих между собой двойных связей.

Соединения углерода, включающие группу -OH, называются спиртами . Саму группу -OH принято называть гидроксильной . Общую формулу спирта можно записать как R-OH, где R - любой углеводородный радикал (радикалом в химии называют изменяемую часть молекулы). На картинке - два самых простых спирта: метиловый (метанол) и этиловый (этанол).

Вот тут перед нами глицерин - пример спирта, в котором гидроксильных групп несколько. Такие спирты принято называть многоатомными . Глицерин - трехатомный спирт. С его участием образуются жиры и некоторые другие важные для клеток соединения.

Этанол (слева) и диметиловый эфир (справа) состоят из одинакового набора атомов (C 2 H 6 O), но имеют разную структуру. Такие соединения называются изомерами .
Класс соединений, к которому относится диметиловый эфир, называется простыми эфирами . Они имеют общую формулу R 1 -O-R 2 , где R - углеводородные радикалы (во всех подобных случаях они могут быть как одинаковыми, так и разными).

Еще два важных класса соединений - альдегиды (общая формула R-CO-H) и кетоны (общая формула R 1 -CO-R 2). R (радикал) тут может обозначать любую углеводородную цепочку. И альдегиды, и кетоны включают группу -CO-, состоящую из углерода с присоединенным к нему двойной связью кислородом и двумя свободными валентностями. Если хотя бы одна из этих валентностей занята водородом, то перед нами альдегид, если же обе заняты углеводородными радикалами - то кетон. Например, самый простой из всех возможных кетонов называется ацетоном и имеет формулу CH 3 -CO-CH 3 .

Многоатомный спирт, одновременно являющийся альдегидом или кетоном, называется углеводом . Например, глюкоза - типичный углевод, альдегидоспирт с цепочкой из шести атомов углерода и пятью гидроксильными группами. И фруктоза - тоже типичный углевод, тоже имеющий цепочку из шести атомов углерода и пять гидроксильных групп, но она не альдегидоспирт, а кетоноспирт. При этом легко убедиться, что глюкоза и фруктоза - изомеры с общей формулой C 6 H 12 O 6 . А вот если у глюкозы (или ее изомера) один углерод отнять, то может получиться рибоза - альдегидоспирт с пятью углеродами в цепочке, четырьмя гидроксильными группами и формулой C 5 H 10 O 5 . Как видим, все довольно просто.
Примечание. Постоянные оговорки насчет изомеров связаны с тем, что у углеводов развит один особый вид изомерии - оптическая изомерия, которая связана исключительно с пространственным расположением атомов. На обычных графических формулах этот вид изомерии вообще не отображается, и это может привести к тому, что одна и та же графическая формула будет соответствовать нескольким совершенно разным по свойствам веществам. Но пока что мы про оптическую изомерию ничего не знаем и можем эти факты со спокойной душой игнорировать. Сказано глюкоза - значит глюкоза. Набор функциональных групп у нее уж точно такой, как тут нарисовано, а как они повернуты, нас сейчас не волнует.

Исключительно важным и интересным классом соединений являются карбоновые кислоты (R-COOH). Как видно из формул, в состав любой карбоновой кислоты по определению входит карбоксильная группа -CO-OH. Почему такие соединения называются именно "кислотами", мы разберемся позже; пока что будет достаточно запомнить название "карбоновые кислоты" как нечто самоценное, считая слово "кислота" частью этого названия. Самая простая карбоновая кислота - муравьиная, у которой вместо радикала вообще водород. Но обычно радикал карбоновой кислоты представляет собой более или менее сложную углеводородную цепочку. Уксусная кислота, имеющая в радикале всего один атом углерода, нарисована тут двумя способами, которые обозначают ровно одно и то же.
Обведенная на формулах зеленой рамкой группа -CH 3 называется метильной . Она встречается не только в кислотах, а вообще во всевозможных классах веществ, где есть хоть какие-то углеводородные радикалы; мы уже видели ее ну хотя бы в ацетоне, где таких групп две. Можно сказать, что метильная группа - это простейший химический "кирпичик", на который разные более-менее сложные соединения углерода могут различаться между собой. Каких-то особых самостоятельных свойств она не имеет. С другой стороны, даже отличие на одну метильную группу иногда бывает очень важно - мы это увидим.


Вот тут перед нами две относительно экзотические, но вполне реально встречающиеся в живых организмах карбоновые кислоты. Их формулы нарисованы в немного разном стиле, к этому стоит привыкнуть. Щавелевая кислота, молекула которой представляет собой две соединенные встык карбоксильные группы, действительно содержится в щавеле, ревене и некоторых других растениях. Бензойная кислота имеет в качестве радикала ароматическое ядро; она тоже содержится во многих растениях, например в бруснике и клюкве, а также служит широко распространенным консервантом (пищевая добавка E210).

Карбоновая кислота и спирт могут вступить в реакцию, при которой от карбоксильной группы отщепляется -OH, а от спиртовой -H. Эти отщепленные фрагменты тут же образуют воду (формула которой H-O-H или H 2 O), а остатки кислоты и спирта соединяются в сложный эфир (общая формула R 1 -CO-O-R 2). Среди биологически активных соединений сложных эфиров достаточно много. Надо заметить, что сложные эфиры и простые эфиры - это совершенно разные классы веществ; по-английски, например, они обозначаются разными корнями - соответственно ester (сложный эфир) и ether (простой эфир). На картинке для примера показан сложный эфир под названием метилбензоат.

А теперь посмотрим вот на эту великолепную молекулу. Лимонная кислота, формально говоря, является одновременно кислотой и спиртом - она имеет при трехуглеродной цепочке три карбоксильные группы (как кислота) и одну гидроксильную группу (как спирт). Такие соединения называют спиртокислотами или (чаще) оксикислотами. Лимонная кислота взята здесь исключительно для примера, хотя вообще-то она интересна и сама по себе, как важнейший промежуточный продукт в клеточном дыхании.
Если вам кажется, что много формул - не пугайтесь. Дальше будет еще больше. В этой области чем больше формул - тем понятнее. Так что я сознательно устраиваю тут "зоологический сад молекул", подобно "зоологическому саду планет", о котором говорил Гумилев.

Лекция 1. Введение в науку биология

1. Предмет биологии. Классификация биологических наук

2. Методы изучения (исследования) биологии

3. Основные свойства живых существ. Определение понятия «жизнь»

4. Уровни организации живого

Предмет биологии. Классификация биологических наук

Термин «биология» образуется из двух греческих слов (bios - жизнь и logos - учение).

Термин был введен в 1802 году двумя естествоиспытателями - Ж.Б. Ламарком и Г.Р. Тревиранусом, независимо друг от друга.

Биология изучает общие закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие.

Биология - комплексная наука. Разделы науки биологии классифицируются по следующим направлениям:

1) изучению систематических групп (по объектам исследования). Например, зоология, ботаника, вирусология.

В пределах этих наук имеются узкие направления (или дисциплины). Например, в зоологии выделяют протозоологию, гельминтологию, энтомологию и др.

2) изучению разных уровней организации живого: молекулярная биология, гистология и др.

3) свойствам и проявлениям жизни отдельных организмов. Например, физиология, генетика, экология.

4) связям с другими науками (в результате интеграции наук). Это биохимия, биофизика, биотехнология, радиобиология и др.

Методы изучения биологии

Основными методами, которые используются в биологических науках, являются:

1) наблюдение и описание - самый старый (традиционный) метод биологии. Этот метод широко используется и в наше время (в зоологии, ботанике, цитологии, экологии и др.)

2) сравнение, т.е. сравнительный метод дает возможность найти сходства и различия, общие закономерности в строении организмов.

3) опыт или эксперимент. Например, опыты Г.Менделя или работы И.П.Павлова в физиологии.

4) моделирование - создание определенной модели или процессов и их изучения. Например, моделирование условий и процессов (недоступных наблюдению) происхождения жизни.

5) исторический метод - изучение закономерности появления и развития организмов

Основные свойства живого

Живые существа отличаются от неживых тел целым рядом свойств. К основным свойствам живого относятся:

Специфическая организация.

Живые организмы обладают необходимыми структурами, обеспечивающими их жизнедеятельность.

Специфическая организация живых существ проявляется и в особенности химического состава. Из химических элементов большая доля приходится на кислород, углерод, водород, азот. В сумме они составляют более 98% химического состава. Эти элементы образуют в живых организмах сложные органические соединения - белки, жиры, нуклеиновые кислоты, углеводы, которые не встречаются в неживой природе.

Обмен веществ и энергии.

Организмы постоянно совершают обмен веществ и энергии с окружающей средой - это обязательное условие существования.

Обмен веществ и энергии слагается из 2х процессов:

а) синтеза или ассимиляции, или пластического обмен (с поглощением энергии).

б) распада или диссимиляции, или энергетического обмена (с выделением энергии)

Гомеостаз - поддержание постоянства внутренней среды.

В живых существах протекают сложные саморегулирующиеся процессы, которые идут в строго определенном порядке и направлены на поддержание постоянства внутренней среды (например, на постоянство химического состава). При этом организм находится в состоянии динамического равновесия (т.е. подвижного равновесия), что важно при существовании в меняющихся условиях среды.

Размножение

Размножение - свойство организмов воспроизводить себе подобных. Каждое живое существо имеет ограниченный срок жизни, но, оставляя после себя потомство, обеспечивает непрерывность и приемственность жизни.

Способность к развитию - изменение объектов живой природы.

Индивидуальное развитие (онтогенез) - развитие особи в большинстве случаев начинается от зиготы (оплодотворенной яйцеклетки) или от деления материнской клетки до конца жизни. В ходе онтогенеза происходит рост, дифференцировка клеток, тканей, органов, взаимодействие отдельных частей. Продолжительность жизни особей ограничивается процессами старения, приводящими к смерти.

Филогенез - историческое развитие мира живых организмов.

Филогенез - это необратимое и направленное развитие живой природы, которое сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом исторического развития является разнообразие живых существ.

Раздражимость.

Раздражимость - способность организма отвечать на воздействия определенными реакциями. Формой проявления раздражимости является движение.

У растений - тропизм (например, изменение положения листьев в пространстве из-за освещенности - фототропизм).

У одноклеточных животных - таксисы.

Реакции многоклеточных на раздражение осуществляются с помощью нервной системы и называются рефлексами.

Наследственность.

Наследственность - свойство организмов передавать из поколения в поколение характерные признаки вида с помощью носителей наследственной информации, молекул ДНК и РНК.

Изменчивость.

Изменчивость - это свойство организмов приобретать новые признаки. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора.

На основании свойств живого ученые пытаются дать определение понятию «жизнь». Современному состоянию развития биологии лучше всего соответствует определение жизни, данное ученым - биофизиком М.В. Волькенштейном: «Живые тела представляют собой открытые саморегулирующиеся, самовоспроизводящиеся системы, построенные из полимеров - белков и нуклеиновых кислот и поддерживающие свое существование в результате обмена веществ и энергии с окружающей средой».

В это определение входят признаки живого. Каждая клетка и организм в целом являются системой, т.е. представляют собой совокупность взаимодействующих, упорядоченных структур (органоидов, клеток тканей, органов). Живые существа - это открытые системы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с внешней средой. Живые существа осуществляют непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой (поглощение и выделение, ассимиляция и диссимиляция).

Уровни организации живых существ

Жизнь на Земле представляет собой целостную систему, состоящую из различных структурных уровней организации биологических существ. Выделяют несколько основных уровней организации (разделение имеет условный характер)

Молекулярно генетический.

Биология начинается с молекулярного уровня, т.к. атомный уровень не несет следов биологической специфичности. Этот уровень исследует молекулы ДНК, РНК, белки, гены и их роль в хранении и передаче генетической информации, в обмене веществ и превращении энергии. Биология изучает законы, характерные для этого уровня.

Клеточный.

Структурной, функциональной и генетической единицей живых существ является клетка. Вирусы, будучи неклеточной формой организации живого, проявляют свои свойства как живые организмы только внедрившись в клетки.

На клеточном уровне изучают строение клеток и клеточных компонентов, самовоспроизведение, реализацию наследственной информации, обмен веществ и энергии, происходящих на уровне клетки.

Организменный.

Структурной единицей на этом уровне служит организм, особь. Организм - самостоятельно существующая в среде система. На этом уровне протекают процессы онтогенеза. В ходе онтогенеза реализуется наследственная информация в определенных условиях внешней среды, т.е. формируется фенотип организма данного биологического вида.

Популяционно-видовой.

Элементарной единицей вида является популяция. На этом уровне изучается обмен генетической информации при скрещивании, изменения генетического состава популяций, факторы, влияющие на динамику генетического состава популяций, проблемы сохранения исчезающего вида.

Экосистемный.

Структурной единицей этого уровня являются экосистемы, под которыми понимаются участки земной поверхности с определенными природно-климатическими условиями и связанные с ними сообщества микроорганизмов, животных и растений, которые образуют неразделимый взаимообусловленный комплекс. Этот уровень изучает круговорот веществ и поток энергии, которые связаны с жизнедеятельностью всех живых организмов. Экосистемы составляют биосферу - область распространения жизни на Земле. Выделяют социальный уровень, характерный для человека.

Все уровни организации тесно объединены между собой, что свидетельствует о целостности живой природы. Без биологических процессов, которые осуществляются на этих уровнях, невозможно существование жизни на Земле.

Человек и все человечество - составляющая часть биосферы. Здоровье человека зависит от состояния биосферы, от умения приспосабливаться к меняющимся условиям среды. Если эта способность проявляется недостаточно, то могут возникнуть нарушения, которые затрагивают различные уровни жизни (клеточный, организменный).

Введение

1. Введение в науку биологию

2. Определение и свойства жизни

Введение в науку биологию

Термин биология (от греч. биос - жизнь, логос - наука) введен в начале XIX в. независимо друг от друга Ж.-Б. Ламарком и Г. Тревиранусом для обозначения науки о жизни как особом явлении природы. В настоящее время его используют и в ином смысле, относя к группам организмов, вплоть до вида (биология микроорганизмов, биология северного оленя, биология человека), биоценозам (биология арктического бассейна), отдельным структурам (биология клетки). Жизнь – это специфическое свойство определенных систем, называемых «живыми». Биология – наука о живых системах.

Предметом биологии как учебной дисциплины служит жизнь во всех ее проявлениях: строение, физиология, поведение, индивидуальное (онтогенез) и историческое (эволюция, филогенез) развитие организмов, их взаимоотношение друг с другом и с окружающей средой.

Современная биология представляет комплекс, систему наук. Отдельные биологические науки или дисциплины возникли вследствие процесса дифференциации, постепенного обособления относительно узких областей изучения и познания живой природы.

В биологии выделяют науки по объектам исследования : о животных - зоологию; о растениях - ботанику; анатомию и физиологию человека как основу медицинской науки. В пределах каждой из этих наук имеются более узкие дисциплины. Например, в зоологии выделяют протозоологию, энтомологию, гельминтологию и другие.

Биологию классифицируют по дисциплинам, изучающим морфологию (строение) и физиологию (функции) организмов. К морфологическим наукам относят, например, цитологию , гистологию , анатомию . Физиологические науки - это физиология растений, животных и человека.

Для уяснения биологических основ развития, жизнедеятельности и экологии конкретных представителей животного и растительного мира неизбежно обращение к общим вопросам сущности жизни, уровням ее организации, механизмам существования жизни во времени и пространстве. Наиболее универсальные свойства и закономерности развития и существования организмов и их сообществ изучает общая биология.

Сведения, получаемые каждой из наук, объединяются, взаимодополняя и обогащая друг друга, и проявляются в обобщенном виде, в познанных человеком закономерностях, которые либо прямо, либо с некоторым своеобразием (в связи с социальным характером людей) распространяют свое действие на человека.

Для современной биологии характерно комплексное взаимодействие с другими науками (химией, физикой, математикой) и появление новых сложных дисциплин.

Вторую половину XX столетия называют веком биологии. Такая оценка роли биологии в жизни человечества представляется еще более оправданной в наступившем XXI в. К настоящему времени наукой о жизни получены важные результаты в области изучения наследственности, фотосинтеза, фиксации растениями атмосферного азота, синтеза гормонов и других регуляторов жизненных процессов. Уже в реально обозримом будущем путем использования генетически модифицированных растительных и животных организмов, бактерий могут быть решены задачи обеспечения людей продуктами питания, необходимыми медицине и сельскому хозяйству лекарствами, биологически активными веществами и энергией в достаточном количестве, несмотря на рост населения и сокращение природных запасов топлива. Исследования в области геномики и генной инженерии , биологии клетки и клеточной инженерии, синтеза ростовых веществ открывают перспективы замещения дефектных генов у лиц с наследственными болезнями, стимуляции восстановительных процессов, контроля за размножением и физиологической гибелью клеток и, следовательно, воздействия на злокачественный рост.

Биология относится к ведущим отраслям естествознания. Высокий уровень ее развития служит необходимым условием прогресса медицинской науки и здравоохранения.

Значение биологии для медицины велико. Биология - теоретическая основа медицины. Врач древней Греции Гиппократ (460-374 г. до н.э.) считал, что «необходимо, чтобы каждый врач понимал природу». Во всех теоретических и практических медицинских науках используются общебиологические обобщения.

Теоретические исследования, проводимые в различных областях биологии, позволяют использовать полученные данные в практической деятельности медицинских работников. Например, открытие структуры вирусов, возбудителей инфекционных заболеваний (оспы, кори, гриппа и других), и способов их передачи, позволило ученым создать вакцину, предотвращающую распространение этих заболеваний или снижающую риск гибели людей от этих тяжелых инфекций.

Биологическая подготовка играет принципиальную и все более возрастающую роль в структуре медицинского образования. Будучи фундаментальной естественнонаучной дисциплиной, биология раскрывает закономерности возникновения и развития, а также необходимые условия сохранения жизни как особого явления природы нашей планеты . Человек, отличаясь несомненным своеобразием в сравнении с другими живыми формами, тем не менее, представляет собой закономерный результат и этап развития жизни на Земле, поэтому само его существование прямо зависит от общебиологических (молекулярных, клеточных, системных) механизмов жизнедеятельности.

Связь людей с живой природой не ограничивается рамками исторического родства. Человек был и остается неотъемлемой частью этой природы, влияет на нее и в то же время испытывает на себе влияние окружающей среды. Характер таких двусторонних отношений сказывается на состоянии здоровья человека.

Развитие промышленности, сельского хозяйства, транспорта, рост народонаселения, интенсификация производства, информационные перегрузки, усложнение отношений в семьях и на работе порождают серьезные социальные и экологические проблемы: хроническое психоэмоциональное напряжение, опасное для здоровья загрязнение среды жизни, уничтожение лесов, разрушение природных сообществ растительных и животных организмов, снижение качества рекреационных зон. Поиск эффективных путей преодоления указанных проблем невозможен без понимания биологических закономерностей внутривидовых и межвидовых отношений организмов, характера взаимодействия живых существ, включая человека, и среды их обитания. Уже отмеченного достаточно, чтобы уяснить, что многие разделы науки о жизни, даже в ее классическом формате, имеют очевидное прикладное медицинское значение.

На самом деле в наше время в решении проблем охраны здоровья и борьбы с болезнями биологические знания и «высокие биотехнологии» (генетическая, клеточная инженерия) начинают занимать не просто важное, но по-настоящему определяющее место. Действительно, минувшееXX столетие, наряду с тем, что оно, в соответствие с главными направлениями научно-технического прогресса, характеризовалось химизацией, технизацией, компьютеризацией медицины, стало также веком превращения последней в биомедицину.

Представление об этапах названного превращения, стартовавшего в конце XIX - начале XX веков дает метафора смены «поколений охотников», принадлежащая лауреату нобелевской премии 1959 г. за открытие механизма биологического синтеза нуклеиновых кислот Артуру Корнбергу. На каждом из следующих друг за другом этапов биология обогащала мир выдающимися фундаментальными открытиями или технологиями, дальнейшая разработка и использование которых в интересах медицины позволяли здравоохранению достичь решающих успехов в той или иной области борьбы с недугами людей.

В первые десятилетия минувшего столетия, по мнению А. Корнберга, лидирующая роль принадлежала «охотникам» за микробами, с результатами исследований которых связаны поразительные достижения мирового и отечественного здравоохранения в решении проблемы контроля над инфекциями, прежде всего особо опасными.

Во второй четверти XX века лидирующее положение перешло к «охотникам» за витаминами, в 50-60-е годы - за ферментами, на рубеже XX-XXI столетий - к «охотникам» за генами. Приведенный перечень можно дополнить также поколениями «охотников» за гормонами, факторами тканевого роста, рецепторами к биологически активным молекулам, за клетками - участницами иммунологического надзора за белковым и клеточным составом организма и другими. Сколь длинным, однако, не был бы этот перечень, очевидно, что в нем «охоте» за генами принадлежит качественно особое место.

В наши дни главная задача такой «охоты», уже оформившейся в самостоятельную научно-практическую дисциплину - геномику, состоит в выяснении порядка расположения нуклеотидных пар в молекулах ДНК или, другими словами, прочтении ДНК-текстов геномов людей (проект «геном человека») и других организмов. Не трудно видеть, что исследования в названном направлении открывают врачам доступ к содержанию первичной генетической информации, заключенной в геноме каждого отдельно взятого человека (генодиагностика ), которой, собственно, определяются особенности процесса индивидуального развития организма, многие его свойства и качества во взрослом состоянии. Указанный доступ создает перспективу адресного изменения информации в целях борьбы с болезнями или предрасположенностью к ним (генотерапия, генопрофилактика ), а также предоставления каждому человеку биологически обоснованных рекомендаций к выбору, например, оптимального региона для проживания, характера питания, рода трудовой деятельности, в широком плане к конструированию образа жизни соответственно личной генетической конституции в интересах собственного здоровья.

Биология – наука о жизни как особом явлении во всех ее пространственно-временных проявлениях.

Предмет изучения биологии – все проявления жизни, а именно:

1. Жизнь как особое явление, эволюция живых объектов

2. Знаковые биологические единицы (ген, клетка, особь)

3. Естественные группы организмов (популяция, вид)

4. Исторически сложившиеся сообщества организмов разных видов (биоценоз)

5. Человек как биологический объект

6. Многообразие вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их происхождение, индивидуальное развитие

7. Биотехнологические конструкции (генная, тканевая, органная инженерия; терапевтическое клонирование)

Задачи биологии состоят в изучении общих и частных закономерностей, присущих жизни на всех ее уровнях, во всех ее проявлениях и свойствах: обмена веществ и энергии, размножения, наследственности и изменчивости, роста и развития, раздражимости, дискретности, саморегуляции, движения и т.д.

При этом в биологии используется ряд методов, характерных для естественных наук.

К основным методам биологии относятся:

НАБЛЮДЕНИЕ, позволяющее описать биологическое явление:

1. Невооруженным глазом или с использованием оптических и иных приборов (лупа, микроскоп, электронный микроскоп, дифференциальное центрифугирование, рентгеноструктурный анализ);

2. Визуализация живых структур и процессов (методы лучевой диагностики – рентген, УЗИ, томографии).

ЭКСПЕРИМЕНТ, в ходе которого исследователь искусственно создает ситуацию позволяющую выявить глубоко лежащие (скрытые) свойства биологических объектов:

1. In Vivo – используется живое существо. Особенность – этические проблемы;

2. In Vitro – используются живые биологические объекты (клетки, ткани, органные структуры), выращиваемые вне организма в условиях культуры. Особенность – проблемы интерпретации;

3. Природные “эксперименты” – мутации (закон гомологичных рядов Н.И.Вавилова), уродства.

МОДЕЛИРОВАНИЕ:

1. математическое;

2. компьютерное (дизайн лекарств, в т.ч. на наноносителях);

3. биологическое (создание живых форм (клеток, организмов) с заданными свойствами - технологии knock in, knock out и др.).

СПОСОБЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

сравнительный, дающий возможность найти закономерности, общие для разных явлений;

исторический метод, позволяющий на основе данных о современном мире живого и о его прошлом, раскрывать законы развития живой природы.

Биология является системой наук, которые могут быть классифицированы различным образом.

1. По предмету изучения: ботаника, зоология, микробиология и т.д.

2. По общим свойствам живых организмов:

Генетика (закономерности наследственности);

Биохимия (превращения вещества и энергии);

Экология (взаимоотношения живых существ и их природных сообществ с окружающей средой) и т.п.;

3. По уровню организации живой материи, на котором рассматриваются живые системы:

Молекулярная биология;

Цитология;

Гистология и т.п.

Приведенные классификации, разумеется, не носят абсолютного характера. Так, например, исследование клетки (цитология) в настоящее время немыслимо без изучения биохимии клетки. Ряд возможных дифференциаций биологии как науки можно видеть на ниже приведенном примере.

Одновременно с такой интерпретацией биологии, биологию можно рассматривать и как интегрирующую науку.

Можно также говорить о трех магистральных направлениях биологии:

1. Традиционная или натуралистическая биология. Ее объектом изучения является живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности – «Храм природы», как называл ее Эразма Дарвина. Истоки традиционной биологии восходят к средним векам, хотя вполне естественно здесь вспомнить и работы Аристотеля, который рассматривал вопросы биологии, биологического прогресса, пытался систематизировать живые организма («лестница Природы»). Оформление биологии в самостоятельную науку – натуралистическую биологию приходится на 18-19 века. Первый этап натуралистической биологии ознаменовался созданием классификаций животных и растений. К ним относятся известная классификация К. Линнея (1707 – 1778), являющаяся традиционной систематизацией растительного мира, а также классификация Ж.-Б. Ламарка, применившего эволюционный подход к классифицированию растений и животных. Традиционная биология не утратила своего значения и в настоящее время. В качестве доказательства приводят положение экологии среди биологических наук, а также во всем естествознании. Ее позиции и авторитет в настоящее время чрезвычайно высоки, а она в первую очередь основывается в принципах традиционной биологии, поскольку исследует взаимоотношений организмов между собой (биотические факторы) и со средой обитания (абиотические факторы).

2. Функционально-химическая биология. Особенность физико-химической биологии – широкое использование экспериментальных методов, которые позволяют исследовать живую материю на субмикроскопическом, надмолекулярном и молекулярном уровнях, что сближает биологию с точными физико-химическими науками. Одним из важнейших разделов физико-химической биологии является молекулярная биология – наука, изучающая структуру макромолекул, лежащих в основе живого вещества. Биологию нередко называют одной из лидирующих наук 21-го века.

3. Эволюционная биология. Это направление биологии изучает закономерности исторического развития организмов. В настоящее время концепция эволюционизма стала, фактически, платформой, на которой происходит синтез разнородного и специализированного знания. В основе современной эволюционной биологии лежит теория Дарвина. Интересно и то, что Дарвину в свое время удалось выявить такие факты и закономерности, которые имеют универсальное значение, т.е. теория созданная им, приложима к объяснению явлений, происходящих не только в живой, но и неживой природе. В настоящее время эволюционный подход взят на вооружение всем естествознанием. Вместе с тем, эволюционная биология – самостоятельная область знания, с собственными проблемами, методами исследования и перспективой развития.

В настоящее время предпринимаются попытки синтеза этих трех направлений биологии и оформления самостоятельной дисциплины – теоретической биологии.

4. Теоретическая биология. Целью теоретической биологии является познание самых фундаментальных и общих принципов, законов и свойств, лежащих в основе живой материи. Основой теоретической биологии в любом случае служит развитие эволюционного подхода, и, таким образом, теоретическая биология может рассматриваться как дальнейшее развитие эволюционной биологии.

В основе биологии лежат 4 аксиомы, характеризующие жизнь и отличающие её от «нежизни».

Аксиома 1

Все живые организмы должны состоять из фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение. Наследуется не структура, а описание структуры и инструкция по ее изготовлению. Жизнь на основе только одного генотипа или одного фенотипа невозможна, т.к. при этом нельзя обеспечить ни самовоспроизведения структуры, ни ее самоподдержания. (Д. Нейман, Н. Винер)

Аксиома 2

Генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения. Жизнь – это матричное копирование с последующей самосборкой копий. (Н.К. Кольцов)

Аксиома 3

В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными. Отбор случайных изменений не только основа эволюции жизни, но и причина ее становления, потому что без мутаций отбор не действует.

Аксиома 4

В процессе формирования фенотипа случайные изменения генетических программ многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды. Из-за усиления в фенотипах случайных изменений эволюция живой природы принципиально непредсказуема. (Н.В.Тимофеев-Ресовский)

Вопрос о сущности жизни до сих пор является одним из центральных вопросов естествознания, ответ на который разный в зависимости от точки зрения. Однако все исследователи признают одно общее неотъемлемое свойство живого – ее системный характер, или системность

Под биологической (живой) системой понимается совокупность взаимодействующих элементов, которая образует целостный объект, имеющие новые качества, не свойственные входящим в систему качеств элементов.

Таким образом, живой, целостной системе присущи следующие качества:

· множественность элементов,

· наличие связей между элементами и с окружающей средой,

· согласованная организация взаимоотношений элементов как в пространстве, так и во времени, направленное на осуществление функций системы.

С учетом всего сказанного, мы можем утверждать, что