Биология. Методы исследования.

Лекция №1

Биология. Методы исследования.

Определение

Биология — наука о живых организмах.

Термин «биология» ввел французский ученый эволюционист Жан Батист Ламарк в 1802 г.

Становление самой науки началось значительно раньше. Сведения биологического характера встречаются в письменных источниках еще в трудах философов и натуралистов Древнего мира.

Причины, побудившие людей изучать биологические явления:

• питание дарами природы — охота и собирательство;
• первая одежда — шкуры животных;
• строительный материал — использование растительного сырья;
• медицина — использование лекарственных растений, понятие об ядовитых растениях;

позднее:

• одомашнивание животных;
• сельское хозяйство: интуитивная селекция животных и растений.

Биология — наука фундаментальная и комплексная.

Фундаментальная, т. к. является теоретической основой (фундаментом) для прикладных дисциплин: медицины, ветеринарии, агрономии, зоотехники, психологии, пищевой промышленности, фармакологии, биотехнологии и селекции.

Комплексная, т. к. представляет собой комплекс биологических наук.

По мере накопления фактического материала биология разделилась на несколько исследовательских областей. Биологические науки разделились по объектам исследования.

По систематическим категориям:

• вирусология (царство вирусы);
• микробиология, бактериология (царство бактерии);
• ботаника (царство растения);
• микология (царство грибы);
• зоология (царство животные):

арахнология (класс паукообразные)

акарология (отряд клещи)

энтомология (класс насекомые)

колеоптерология (отряд жесткокрылые, или жуки)

лепидоптерология (отряд чешуекрылые, или бабочки)

ихтиология (надкласс рыбы)

орнитология (класс птицы)

териология (класс млекопитающие)

ПО УРОВНЯМ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ:

• молекулярная биология — на молекулярном уровне;
• цитология, цитогенетика — на клеточном уровне;
• морфология и физиология — на организменном уровне;
• экология, популяционная экология — на популяционно-видовом, биогеоценотическом и биосферном уровне.

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИЗУЧАЕМЫХ ПРОЦЕССОВ:

• генетика — наука о процессах наследственности и изменчивости;
• эмбриология — наука об эмбриональном развитии;
• теория эволюции — наука об эволюционном учении;
• этология — наука о поведении животных;
• общая биология — наука о закономерностях и процессах, общих для живой природы.

Современная биология опирается на достижения других наук — физики, химии, математики.

На стыке наук выделились пограничные области биологии:

• биофизика — наука о физических закономерностях в живой природе;
• биохимия — наука о химических процессах в живых организмах;
• молекулярная биология — наука изучающая процессы, происходящие в живых организмах на молекулярном уровне, в т.ч. механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации;
• биокибернетика — наука о принципах хранения информации и управления живыми системами;
• бионика — прикладная дисциплина, использующая принципы работы живых организмов в технике;
• биотехнология — прикладная дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов для промышленного получения ценных для человека веществ.

Отличие живого от неживого. Определения понятия «жизнь»

ЖИЗНЬ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ФИЗИКИ

Согласно другому подходу, жизнь рассматривают как совокупность специфических физико-химических процессов и характеризуют эти процессы. Жизнь можно определить как активное, то есть идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение специфической структуры. Этот процесс вполне объясним с точки зрения физики, прежде всего термодинамики.

Существует распространенное заблуждение, что существование жизни противоречит второму началу термодинамики. Согласно этому основополагающему принципу, энтропия (мера неупорядоченности, хаоса) в закрытой системе не может убывать. Иными словами, без затраты энергии наведение и поддержание порядка (в том числе сложной структуры) невозможно. Однако живые системы закрытыми не являются, они находятся в постоянном обмене веществом и энергией с окружающим миром. При затрате энергии возможно повышение степени упорядоченности. Это интуитивно понятно каждому: если не заниматься уборкой в комнате, то очень скоро в ней воцарится хаос. Чтобы навести порядок, придется затратить энергию. Точно так же и в живых системах — они обязательно имеют какие-то внешние источники энергии. Для растений это свет солнца, для животных — биомасса растений, других животных и иной пищи. Благодаря этому живые системы могут уменьшать свою энтропию, создавая порядок из хаоса и поддерживая его.

уществуют и неживые системы, в которых происходит поддержание сложной структуры при наличии внешнего источника энергии, например ячейки Бенара — структуры (обычно шестигранные), образующиеся в результате конвекции в тонком слое нагреваемой жидкости (см. рис.). Их легко можно наблюдать, поместив металлические опилки в слой масла, нагреваемого в сковородке, или даже при варке каши в достаточно тонком слое воды (хотя в этом случае они гораздо менее четкие). Этот пример доказывает, что существование и поддержание сложных структур, в том числе живых, ни в коей мере не противоречит законам физики и не требует привлечения метафизических и религиозных объяснений.

Советский биофизик М. Волькенштейн дал такое определение жизни:

Определение

«Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот».

В учебниках часто можно встретить определение, данное жизни немецким философом Фридрихом Энгельсом, единомышленником Карла Маркса:

Определение

«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».

Мы видим, что это определение жизни дано через определение известного нам носителя — белкового тела (хотя живые системы состоят далеко не только из белков). Оно не подходит для потенциальных небелковых и внеземных форм жизни.

Понятно 417

Вирусы

Вирусы — это облигатные паразиты клеток, то есть вне клеток они не могут воспроизводиться. У них отсутствует аппарат синтеза белка, в частности рибосомы, и они не могут самостоятельно синтезировать белки. Вирусная частица представляет собой молекулу или несколько молекул ДНК или РНК, одетые оболочкой из белков (капсидом), иногда имеется мембрана, отпочковавшаяся от мембраны хозяйской клетки. Вирусные белки, закодированные в геноме вируса, производятся при инфекции в клетке хозяина.

Клеточные организмы

Все клеточные организмы разделяются на две группы:

• надцарство эукариоты, или ядерные, имеющие оформленное ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной оболочкой;
• надцарство прокариоты, или доядерные, не имеющие ядерной оболочки (см. рис. 1).

Рис. 1. Классификация живых организмов

К прокариотам относятся очень мелкие одноклеточные организмы без ядра. Среди них можно выделить царство бактерии и царство археи, или архебактерии.

К эукариотам относятся три основных царства многоклеточных организмов -- царства животные, растения и грибы, — а также одноклеточные (например, амебы, инфузории и др.), которых объединяют в царство протисты, или простейшие. Царство простейшие, то есть одноклеточные эукариоты, в настоящее время признано сборной (то есть разнородной по происхождению) группой и разделено на множество царств организмов на основании особенностей строения внутриклеточных структур и последовательностей ДНК. Растения, животные и грибы, по-видимому, независимо произошли от разных групп одноклеточных эукариот.

ПРОКАРИОТЫ

Клетки прокариот мелкие (не более нескольких мкм) и относительно просто устроенные. Они обычно не имеют внутренних мембранных органелл. У них отсутствует ядерная оболочка, и ДНК находится непосредственно в цитоплазме. Все прокариоты, кроме внутриклеточных паразитов, имеют клеточную стенку из муреина, некоторые имеют капсулу.

Часть прокариот способны к фото- или хемосинтезу. Фотосинтезируют, например, цианобактерии, которых раньше иногда называли сине-зелеными водорослями. Другие прокариоты питаются, поглощая низкомолекулярные органические вещества через поверхность клетки. Такие бактерии могут поселяться в продуктах питания, вызывая их порчу либо, наоборот, способствуя получению кисломолочных продуктов, квашению овощей (лактобактерии). Также, поселяясь в организме человека, бактерии могут вызывать заболевания, например столбняк, холеру, дифтерию.

Археи — особая, крайне своеобразная группа прокариот, обитающая в экстремальных местообитаниях — в горячих источниках, в соленом Мертвом море и т. п., а также в почве, кишечнике животных, морской воде. В силу наличия множества уникальных признаков, а также генетических и молекулярных отличий в настоящее время архей выделяют в отдельный домен клеточных организмов — большую самостоятельную группу, наравне с настоящими бактериями (эубактериями) и эукариотами.

 

Растения

Для растений характерно наличие пластид — органелл, к которым относятся хлоропласты, благодаря чему подавляющее большинство из них способны к фотосинтезу. Пластиды, по всей видимости, образовались из цианобактерий — симбионтов древней эукариотной клетки. Фотосинтез — это процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием энергии солнечного света. Поэтому растения не нуждаются в органических веществах для своей жизнедеятельности, то есть вообще не нуждаются в питании органикой. Такие организмы называются автотрофными, все необходимые органические вещества они образуют сами. Воду и минеральные вещества (соли) они всасывают из окружающей среды в виде раствора. Фотосинтезирующие клетки растения, например в листьях, выделяют сахара и другие органические вещества, которые транспортируются в другие ткани по проводящим пучкам, и клетки нефотосинтезирующих тканей (не зеленых) поглощают эти вещества, питаясь ими. Такой тип питания называется осмотрофным — всасывание клетками низкомолекулярных органических веществ из среды.

Клетки растений окружены прочной клеточной стенкой, основу которой составляют волокна полисахарида целлюлозы. Прочная клеточная стенка препятствует растяжению клеточной мембраны под действием осмотического давления (давления поступающей в клетку воды). Для клеток растений характерно также наличие крупной центральной вакуоли, которая регулирует осмотическое давление и кислотность среды в клетке, накапливает ненужные клетке продукты обмена, которые не могут быть выведены за ее пределы, а в ряде случаев служит для отложения запасных питательных веществ (рис. 3).

Рис. 3. Строение клетки растений

Животные

Животные являются гетеротрофами, т.е. питаются готовыми органическими веществами. Клетки животных не имеют клеточной стенки. Поэтому некоторые типы клеток животных способны к сокращению — мышечные клетки. Это позволяет животным активно двигаться (или проталкивать сквозь себя среду, как у неподвижных фильтраторов). У многоклеточных животных имеется тот или иной тип опорно-двигательного аппарата, а для управления движением и реакции на внешние факторы формируется нервная система.

Животные движутся в поисках источников органических веществ, то есть пищи. Животное поглощает пищу, и она попадает в полость пищеварительной системы, где переваривается, при этом полимеры (высокомолекулярные вещества) пищи расщепляются на мономеры (их низкомолекулярные звенья). Эти мономеры поступают из пищеварительной системы через ее выстилку в кровь (если она есть) и тканевую жидкость. Такой тип питания называется голозойным. В основном клетки животных поглощают низкомолекулярные вещества, растворенные в крови и тканевой жидкости. Некоторые животные клетки способны к поглощению крупных пищевых частиц (фагоцитоз), например фагоциты иммунной системы, поглощающие бак

Рис. 4. Строение клетки животных

Грибы

Третье царство — грибы — по одним признакам сходно с растениями, а по другим — с животными. Так же как и растения, грибы имеют клеточную стенку, но она формируется на основе другого полисахарида — хитина. Не имея пластид, грибы не способны к фотосинтезу и питаются готовыми органическими соединениями, т. е. являются гетеротрофами, как животные. Они также расщепляют сложные питательные вещества-полимеры с помощью ферментов, но, в отличие от животных, не имеют пищеварительной системы и не заглатывают пищу, а выделяют ферменты в окружающую среду. Образовавшиеся мономеры клетки гриба впитывают в виде раствора из среды, то есть проявляют осмотрофный тип питания. В отличие от растений, у грибов обычно отсутствует крупная центральная вакуоль. В большинстве случаев клетки грибов после деления не расходятся, а поскольку деление происходит в одной плоскости, образуются длинные нити — гифы. Гифы могут ветвиться и, переплетаясь, образовывать сеть — мицелий, иногда довольно плотный.

Рис. 5. Строение клетки грибов

Одноклеточные эукариоты

Существуют разные одноклеточные эукариоты с разными особенностями клеток и типами питания. Среди них есть гетеротрофные одноклеточные, такие как амебы и инфузории. Они питаются путем фагоцитоза, то есть поглощения клетками твердых пищевых частиц, например бактерий, и пиноцитоза — поглощения капелек питательной жидкости. Эти организмы способны к перемещению: инфузории движутся за счет биения покрывающих клетку ресничек, а амебы — путем амебоидного движения (изменения формы клетки и ее перетекания, «ползания» по поверхности, к которой прикрепляются).

Существуют и автотрофные одноклеточные, способные к фотосинтезу, в частности одноклеточные водоросли — хламидомонада (движется, имеет жгутики), хлорелла (неподвижна). Некоторые одноклеточные, такие как эвглена зеленая, — миксотрофы, то есть способны переключаться между фотосинтезом (автотрофностью) и гетеротрофным питанием в зависимости от условий среды.

Таким образом, царства эукариот различаются между собой по строению клеток и способам питания.

Определение

Биология — наука о живых организмах.

Термин «биология» ввел французский ученый эволюционист Жан Батист Ламарк в 1802 г.

Становление самой науки началось значительно раньше. Сведения биологического характера встречаются в письменных источниках еще в трудах философов и натуралистов Древнего мира.

Причины, побудившие людей изучать биологические явления:

• питание дарами природы — охота и собирательство;
• первая одежда — шкуры животных;
• строительный материал — использование растительного сырья;
• медицина — использование лекарственных растений, понятие об ядовитых растениях;

позднее:

• одомашнивание животных;
• сельское хозяйство: интуитивная селекция животных и растений.

Лекция №1

Биология. Методы исследования.

Определение

Биология — наука о живых организмах.

Термин «биология» ввел французский ученый эволюционист Жан Батист Ламарк в 1802 г.

Становление самой науки началось значительно раньше. Сведения биологического характера встречаются в письменных источниках еще в трудах философов и натуралистов Древнего мира.

Причины, побудившие людей изучать биологические явления:

• питание дарами природы — охота и собирательство;
• первая одежда — шкуры животных;
• строительный материал — использование растительного сырья;
• медицина — использование лекарственных растений, понятие об ядовитых растениях;

позднее: