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.