Особенности биологического уровня организации природы
Лекция 7. Биологические концепции постижения природы
Биология – наука о живом, его строении, формах активности, природных сообществах, живых организмах (вирусы, бактерии, грибы, животные и растения), их распространении и развитии, связях друг с другом и неживой природой. В настоящее время на Земле описано около 3 млн. видов живых организмов (более 100 тыс. видов грибов, около 500 тыс. видов растений и более 2 млн. видов животных). Однако реальное число видов на Земле в несколько раз больше. Современный видовой состав составляет лишь около 5% видового разнообразия жизни за период ее существования на Земле.
По изучаемым объектам биологию подразделяют на самостоятельные науки – микробиологию, ботанику, зоологию, включающие частные дисциплины: систематику (изучает разнообразие и родство разных групп живых организмов), морфологию (исследует внешнее строение органов и их видоизменения), анатомию (изучает внутреннее строение), физиологию (изучает процессы, протекающие в живых организмах).
По уровню изучения живой материи различают: молекулярную биологию, учение о клетке – цитологию, учение о тканях – гистологию, науку об органах – анатомию, биологию организмов, популяций, видов и т.д. Единые закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие, составляют предмет общей биологии. Универсальные свойства живого – наследственность и изменчивость – изучает генетика, взаимоотношения живых организмов между собой и со средой их обитания экология.
Разнообразие используемых методов и подходов химии, физики и математики для исследования живой природы позволяет выделить биохимию, молекулярную биологию, биофизику, генную инженерию (создание организмов с новыми комбинациями наследственных признаков и свойств) и др.
Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими системами различной структурной организации и соподчинения разного уровня. Все живые организмы (кроме вирусов) состоят из клеток. Клетки одноклеточных организмов представляют собой целостные системы, способные выполнять все необходимые для обеспечения жизнедеятельности функции. Клетки многоклеточных организмов специализированы, т.е. могут осуществлять лишь какую-либо одну функцию и не способны самостоятельно существовать вне организма. Взаимосвязь многих клеток приводит к созданию нового качества, не равнозначного простой их сумме. Элементы организма – клетки, ткани и органы – в сумме еще не представляют собой целостный организм. Лишь соединение их в исторически сложившийся в процессе эволюции порядок и их взаимодействие образуют целостный организм, способный существовать в окружающей среде в динамическом равновесии с ней.
Животный мир и мир растений состоят из отдельных единиц – видов. Каждая особь данного вида смертна, и существование видов поддерживается размножением организмов. Таким образом, дискретность жизни предполагает ее воспроизводство, т.е. процесс размножения.
Размножение имеет две основные формы – половое и бесполое. При половом размножении происходит смена поколений и развитие организмов при образовании специализированных половых клеток, при бесполом – новая особь появляется из неспециализированных клеток тела: соматических, неполовых. При бесполом размножении процесс деления клеток называется митозом, генотип идентичен материнскому.
Половое размножение дает генетическое преимущество по сравнению с бесполым. Происходят комбинации генов, принадлежащих обоим родителям. Поскольку рекомбинация генов есть в каждом поколении, это дает значительно более богатый материал для эволюции, чем мутационный процесс. Основное направление эволюции полового размножения – сингамия, т.е. оплодотворение, при котором обязательно происходит слияние двух половых клеток от разных особей. Такой тип полового размножения наилучшим образом обеспечивает генетическое разнообразие потомства.
Гаметогенез – развитие половых клеток. В них содержится гаплоидный набор хромосом – в 2 раза меньший, чем в соматических клетках. Процесс образования половых клеток – мейоз. Биологическая роль мейоза заключается в поддержании постоянства хромосомного набора, свойственного данному виду организмов. Функции сперматозоида – внесение генетической информации в яйцеклетку и активация ее развития. В яйцеклетке же заложены все основные факторы, позволяющие организму развиваться. У некоторых животных яйцеклетка может развиваться без оплодотворения – партеногенез. При партеногенезе образуются особи только одного пола – мужского или женского.
Индивидуальное развитие (онтогенез) – процесс реализации генетической информации, полученной от родителей. Различают эмбриональный и постэмбриональный периоды.
К начальным стадиям эмбрионального развития относятся:
• дробление – многоклеточный зародыш – бластула. Клетки имеют диплоидный набор хромосом, одинаковы по строению, т.е. клетки бластулы не дифференцированы;
• гаструляция – образование первых эмбриональных тканей.
Происходит дифференциация клеток. Возникают два зародышевых листка: наружный – эктодерма и внутренний – энтодерма. Затем формируется новый зародышевый листок – мезодерма. Клетки каждого листка отличаются особенностями строения. Зародышевые листки занимают определенное положение в зародыше, они дают начало соответствующим органам; первичный органогенез – образование комплекса осевых органов зародыша: нервной трубки, хорды, кишечной трубки.
Из одних и тех же зародышевых листков у разных видов образуются одни и те же ткани и органы. Это говорит о гомологичности зародышевых листков, что в свою очередь является одним из доказательств единства животного мира.
Постэмбриональный период развития начинается в момент рождения или выхода организма из яйцевых оболочек. Развитие может быть прямым или сопровождаться метаморфозом. При прямом развитии из яйцевых оболочек или из тела матери выходит организм небольших размеров, но в нем заложены все основные органы, свойственные взрослому животному (беспозвоночные с неполным превращением, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие). В период постэмбрионального развития происходит значительный рост организма и половое созревание.
При развитии с метаморфозом из яйца выходит личинка, не имеющая сходства со взрослым организмом, со специальными личинками.
Личинка растет и развивается, ее органы заменяются на органы взрослого организма. Метаморфоз связан с переменой образа жизни или среды обитания. Личинки могут самостоятельно питаться и растут, накапливая клеточный материал для формирования органов, свойственных взрослым животным. Смена жизненных фаз позволяет виду разнообразнее использовать экологические ниши, имеющиеся в биоценозе, а также несет расселительную функцию.
Закон зародышевого сходства Карла Бэра заключается в том, что появление в эмбриональном периоде развития современных животных признаков, свойственных далеким предкам, отражает эволюционные преобразования в строении органов.
Биогенетический закон Мюллера и Геккеля утверждает, что онтогенез каждой особи есть краткое и быстрое повторение филогенеза вида, к которому эта особь относится.
Как установил А. Н. Северцов, в индивидуальном развитии проявляются признаки не взрослых предков, а их зародышей. Таким образом, основу филогенеза составляют изменения, происходящие в онтогенезе отдельных особей.
Генетика изучает два фундаментальных свойства живых организмов– наследственность и изменчивость.
Наследственность – это свойство родителей передавать свои признаки и особенности развития следующему поколению. Обеспечение преемственности свойств лишь одна из сторон наследственности; вторая сторона – обеспечение точной передачи специфического для каждого организма типа развития, становления в ходе онтогенеза определенных признаков и свойств, определенного типа обмена веществ. Преемственность поколений осуществляется через клетки – половые при половом размножении и соматические при бесполом. Они несут в себе только зачатки возможности развития признаков и свойств, получившие название генов.
Ген – это участок молекулы ДНК (или участок хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака. При наличии в организме (генотипе) какого-либо гена признак, обусловленный этим геном, может и не проявиться. Возможность развития признаков в значительной степени зависит от условий внешней среды. У всех организмов данного вида каждый ген располагается в одном и том же месте (или локусе) строго определенной хромосомы.
Генетика определения пола. Хромосомы, одинаковые у обоих полов, называются аутосомами. Половые хромосомы – те, по которым муж гетерогаметный – ХY. Наследование всегда сцепляется с полом.
Методы генетических исследований состоят из гибридологического (метод скрещивания), цитогенетического, генеалогического, близнецового.
Процесс, отражающий взаимосвязь организма с внешней средой, называется изменчивостью, наследственные изменения – мутациями. Изменения, вызванные факторами внешней среды, не являются наследственными. Степень варьирования признака называется нормой реакции.