Введение в биологию

Сибирская Государственная Геодезическая Академия

Кафедра экологии и природопользования

БИОЛОГИЯ

Методическое пособие для студентов специальности

“ ГЕОЭКОЛОГИЯ ”

Доцент, кандидат с./х. наук Л.А.Черновский

Новосибирск 2011 г.

Введение в биологию

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.;

- 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