Уровни организации органического мира

Вопрос 9. Учение об организации живого

Вопрос 8. Индивидуальное развитие

Вопрос 7. Репродукция. Наследственность и изменчивость

Вопрос 6. Раздражимость

Вопрос 5. Обмен веществ и энергии

Вопрос 4. Роль биологии в системе медицинского образования

Вопрос 3. Этапы развития биологии

Вопрос 2. Методы биологических наук

Вопрос 1. Введение в биологию

1. Биология. Современная классификация биологических наук

2. Науки общебиологического направления

3. Связь биологии с другими науками

1. Биология — наука о жизни. Она изучает жизнь как особую форму движения материи, законы ее существования и разви­тия. Предметом изучения биологии являются:

• живые организмы;

• их строение, функции;

• их природные сообщества.

Термин "биология", предложенный в 1802 г. Ж.Б. Ламарком,

Современная биология представляет собой систему наук о жи­вой природе. Общие закономерности развития живой приро­ды, раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие, рассматривает общая биология. Соответственно объектам изуче­ния — животным, растениям, вирусам - существуют спеииальные науки, изучающие каждую из названных групп организмов:

• зоология;

• ботаника;

• вирусология.

В свою очередь, эти науки имеют разделы в зависимости от охватываемых ими объектов. Так, ботаническими науками

Цитология — наука о клетке. Благодаря применению элек­тронного микроскопа, новейших химических и физических методов исследования современная цитология изучает строе­ние и жизнедеятельность клетки не только на микроскопиче­ском, но и на субмикроскопическом, молекулярном, уровне.

Эмбриология изучает закономерности индивидуальности разви­тия организмов, развитие зародыша.

Геронтология — учение о старении организмов и борьбе за долго­летие.

Генетика — наука о закономерностях изменчивости и наследст­венности. Она является теоретической базой селекции микро­организмов, культурных растений и домашних животных. Исследование взаимодействия между организмами и окружающей их средой, обусловливающего выживание, развитие и размно­жение организмов, входит в задачу экологии. Кэкологическим наукам относятся:

• биоценология и биогеоценология, изучающие биоценозы, т. е. ус­тойчивые взаимообусловленные сообщества организмов и взаимоотношения биоценозов с окружающей их неживой при­родой;

• биогеография, выясняющая пути распространения организмов по земной поверхности;

• паразитология, которая изучает паразитические организмы, пути их циркуляции в природе и разрабатывает способы борь­бы и ликвидации возбудителей паразитарных болезней челове­ка, домашних животных и культурных растений. Палеонтология изучает вымершие организмы, ископаемые ос­танки прежней жизни.

Дарвинизм, или эволюционное учение, рассматривает общие закономерности исторического развития органического мира. Антропология— наука о происхождении человека и его рас. Пра­вильное понимание биологической эволюции человека невоз­можно без учета закономерностей развития человеческого об­щества, поэтому антропология является не только биологиче­ской, но и социальной наукой.

3. Биологические науки представляют собой теоретическую основу медицины, агрономии, животноводства, а также всех тех отрас­лей производства, которые связаны с живыми организмами. Все биологические науки в той или иной мере являются базой для теоретической или практической медииины. например:

• на основе морфологических наук развивается патологическая анатомия;

• на основе физиологии, биохимии и генетики — патологическая физиология;

• гигиена тесно связана с физиологией, экологией и генетикой;

• терапия и хирургия постоянно оперируют сведениями из облас­ти анатомии, физиологии, биохимии;

• акушерство имеет тесную связь с эмбриологией;

• эпидемиология опирается на достижения экологии, зоологии, паразитологии, бактериологии, вирусологии.

Во всех теоретических и практических медицинских науках используются общебиологические закономерности.

1. Основные методы биологии

2. История развития биологии до XVIII в.

1. Основными частными методами в биологии являются:

• описательный;

• сравнительный;

• исторический;

• экспериментальный.

Для того чтобы выяснить сущность явлений, необходимо пре­жде всего собрать фактический материал и описать его. Соби­рание и описание фактов были главным приемом исследования в ранний период развития биологии, который, однако, не утра­тил своего значения.

Еще в XVIII в. получил распространение сравнительный метод, позволяющий путем сопоставления изучать сходство и разли­чие организмов и их частей. На принципах этого метода была основана систематика и сделано одно из крупнейших обобще­ний — создана клеточная теория. Сравнительный метод пере­рос в исторический, но также не утратил своего значения. Исторический метод выясняет закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функций. Утверждением в биологии исторического метода наука обязана Ч. Дарвину.

Экспериментальный метод исследования явлений природы свя­зан с активным воздействием на них путем постановки опытов (экспериментов) в точно учитываемых условиях и путем изме­нения течения процессов в нужном исследователю направлении. Этот метод позволяет изучать явления изолированно и доби­ваться повторяемости их при воспроизведении тех же условий. Эксперимент обеспечивает не только более глубокое по срав­нению с другими методами проникновение в сущность явле­ний, но и непосредственное овладение ими. Высшей формой эксперимента является моделирование изучае­мых процессов. Блестящий экспериментатор И.П. Павлов го­ворил: "Наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что он хочет".

Комплексное использование различных методов позволяет наиболее полно познать явления и объекты природы. Проис­ходящее в настоящее время сближение биологии с химией, физикой, математикой и кибернетикой, использование их ме­тодов для решения биологических задач оказались весьма пло­дотворными.

2. Первые сведения о живых организмах начал накапливать еще первобытный человек. Живые организмы доставляли ему пи­щу, материал для одежды ижилища. Уже в то время появилась необходимость знать свойства растений и животных, места их обитания и произрастания, сроки созревания плодов и семян, особенности поведения животных.

Так постепенно не из праздной любознательности, а вследст­вие насущных повседневных потребностей накапливались све­дения о живых организмах. Приручение животных и начало возделывания растений потребовали более глубоких сведений о живых организмах.

Первоначально накапливавшийся опыт передавался устно от одного поколения другому. Появление письменности способ­ствовало лучшему сохранению и передаче знаний. Информация становилась полней ибогаче. Однако длительное время вследствие низкого уровня развития общественного производства биологической науки еще не существовало. Значительный фактический материал о живых организмах был собран великим врачом Греции Гиппократом (460-377 гг. до н. э.). Ему принадлежат первые сведения о строении животных и человека, описание костей, мышц, сухожилий, головного и спин­ного мозга. Гиппократ учил: "Необходимо, чтобы каждый врач понимал природу".

Естествознание ифилософия античного мира в наиболее кон­центрированном виде представлены в трудах Аристотеля (384— 322 гг. до н. э.), который:

• описал более 500 видов животных и сделал первую попытку их классификации;

• интересовался строением иобразом жизни растений иживотных;

• заложил основы зоологии;

• оказал огромное влияние на дальнейшее развитие естествозна­ния ифилософии. Работы Аристотеля в области изучения и систематизации знаний о растениях продолжил Теофраст (372—287 гг. до н. э.). Его называют "отцом ботаники". Расширением знаний о строении человеческого тела античная наука обязана римскому врачу Галену (139—200), производив­шему вскрытие обезьян и свиней. Труды его оказывали влияние на естествознание и медицину в течение ряда веков. Римский поэт и философ Тит Лукреций Кар, живший в I в. до н. э., в по­эме "О природе вещей" выступил против религии и высказал мысль о естественном возникновении и развитии жизни. Во времена средневековья утвердилось господство Церкви с ее мистикой и реакционной идеологией. Наука переживала упа­док, стала, по выражению К. Маркса, "служанкой богословия". Церковь канонизировала и объявила незыблемой истиной сочи­нения Аристотеля, Галена, во многом исказив их. Утверждалось, что в естествознании все проблемы уже решены учеными древно­сти, поэтому в изучении живой природы нет необходимости. "Мудрость мира — есть безумие перед богом", — поучала Цер­ковь. Библия была объявлена книгой "божественного открове­ния". Все объяснения явлений природы не должны были проти­воречить ни Библии, ни сочинениям древних. Церковь жестоко карала всех прогрессивных мыслителей и исследователей, по­этому накопление знаний в эпоху средневековья шло очень медленно. Важным рубежом в развитии науки являлась эпоха Возрожде­ния (XIV—XVI вв.). С этим периодом связано зарождение ново­го общественного класса — буржуазии. Развивающиеся произ­водственные силы требовали конкретных знаний. Это привело к обособлению ряда наук о природе. В XV—XVIII вв. выделились и интенсивно развивались следующие науки:

• ботаника;

• зоология;

• анатомия;

• физиология.

Однако развивающемуся естествознанию нужно было еще от­стаивать свои права на существование, вести жестокую борьбу с Церковью. Еще продолжали пылать костры инквизиции. Ми­гель Сереет (1511—1553), открывший малый круг кровообра­щения, был объявлен еретиком и сожжен на костре. Характерной чертой естествознания того времени было изоли­рованное изучение объектов природы. "Надо было исследовать

предметы, прежде чем можно было приступить к исследова­нию процессов", — писал Ф. Энгельс.Изолированное изучение объектов природы порождало представления о ее неизменно­сти, в том числе неизменности видов. "Видов столько, сколько их создал творец", — считал К. Линней. "Но что особенно ха­рактеризует рассматриваемый период, так это выработка свое­образного общего мировоззрения, центром которого является представление об абсолютной неизменяемости природы", — писал Ф. Энгельс. Этот период в развитии естествознания он называл метафизическим.

Исследования Л. Пастера (1822-1895), доказавшие невозмож­ность самопроизвольного зарождения жизни в современных условиях, открытие того, что гниение и брожение вызываются микроорганизмами, произвели переворот в медицине и обес­печили развитие хирургии.

В практику были введены сначала антисептика (предупрежде­ние заражения раны посредством химических веществ), а затем асептика (предупреждение загрязнения путем стерилизации предметов, соприкасающихся с раной). Это же открытие по­служило стимулом к поискам возбудителей заразных болезней, а с обнаружением их связаны разработка профилактики и ра­ционального лечения инфекционных болезней. Открытие клетки и изучение микроскопического строения ор­ганизмов позволили глубже понять причины возникновения болезненного процесса, способствовали разработке методов диагностики и лечения.

Что касается физиологических и биохимических закономерно­стей, то изучение И.И. Мечниковым процессов пищеварения у низших многоклеточных организмов способствовало объясне­нию явлений иммунитета. Его исследования по межвидовой борьбе среди микроорганизмов привели к открытию антибио­тиков, используемых для лечения многих болезней.

2. Человек выделился из животного мира. Структура и функции человеческого организма, в том числе защитные механизмы, — результат длительных эволюционных преобразований предше­ствующих форм. В основе патологических процессов также лежат общебиологические закономерности. Необходимой пред­посылкой для понимания сущности патологического процесса является знание биологии.

Филогенетический принцип, учитывающий эволюцию органи­ческого мира, помогает определить:

• правильный подход к созданию живых моделей для изучения заразных и незаразных болезней и для испытания новых ле­карственных препаратов;

• правильное решение при выборе тканей для заместительной трансплантации;

• происхождение аномалий и уродств;

• наиболее рациональные пути реконструкции органа и т. д.

3. Большое число болезней имеет наследственную природу. Про­филактика и лечение их требуют знания генетики. Ненаследст­венные болезни протекают неодинаково, а их лечение прово­дится в зависимости от генетической конституции человека, чего не может не учитывать врач.

Многие врожденные аномалии возникают вследствие воздей­ствия неблагоприятных условий среды. Предупредить их — за­дача врача, вооруженного знаниями биологии развития орга­низмов. Здоровье людей в большой мере зависит от среды, в частности от той, которую создает человечество. Знание биологических закономерностей необходимо:

• для научно обоснованного отношения к природе;

• охраны и использования ее ресурсов, в том числе с целью ле­чения и профилактики заболеваний.

Как уже говорилось, причиной многих болезней человека яв­ляются живые организмы, поэтому для понимания патогенеза (механизма возникновения и развития болезни) и закономер­ностей эпидемического процесса (т. е. распространения заразных болезней) необходимо изучение болезнетворных организмов.

/. Совокупность закономерностей, характеризующих жизнь

2. Обмен веществ и энергии

3. Взаимовлияние окружающей среды и организмов

4. Изменение окружающей среды, связанное с жизнедеятельностью организмов

1. К числу закономерностей, совокупность которых характеризует жизнь, относятся:

• самообновление, связанное с потоком вещества и энергии;

• самовоспроизведение, обеспечивающее преемственность между сменяющими друг друга генерациями биологических систем и связанное с потоком информации;

• саморегуляция, базирующаяся на потоке вещества, энергии и информации.

Перечисленные закономерности обусловливают основные атри­буты жизни:

• обмен веществ и энергии;

• раздражимость;

• гомеостаз;

• репродукцию;

• наследственность и изменчивость;

• индивидуальное и филогенетическое развитие.

2. Характеризуя явление жизни, Ф. Энгельс писал: "Жизнь - это 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".

Обмен веществ может иметь место и между телами неживой природы. Однако обмен веществ как свойство живого качест­венно отличается от обменных процессов в неживых телах. Го­рящий кусок угля находится в состоянии обмена с окружающей природой: кислород включается в химическую реакцию и вы­деляется углекислый газ. Образование ржавчины на поверхно­сти железного предмета — следствие обмена со средой. Но в результате этих процессов неживые тела перестают быть тем, чем они были.

Для тел живой природы, наоборот, обмен с окружающей сре­дой — условие их существования. В живых организмах обмен веществ приводит к восстановлению разрушенных компонен­тов, замене их новыми, подобными им, т. е. к самообновлению и самовоспроизведению, построению тела живого организма за счет усвоения веществ из окружающей среды. Организмы существуют как открытые системы. Через каждый организм идут непрерывные потоки вещества и энергии. Осу­ществление этих процессов обусловлено свойствами белков, особенно их каталитической активностью.

3. Благодаря тому, что организмы — открытые системы, они на­ходятся в единстве со средой, а физические, химические и био­логические свойства окружающей среды обусловливают осуще­ствление всех процессов жизнедеятельности.

Каждый вид организмовприспособлен к обитанию лишь в опре­деленных условиях,в которых происходило его развитие и к которым он приспособился:

• одни виды обитают только в воде;

• другие — на суше;

• одни — лишь в полярных широтах;

• другие — в экваториальном поясе;

• различные организмы приспособлены к обитанию в степях, пустынях, лесах, глубинах океанов или на вершинах гор;

• для некоторых средой обитания служат другие организмы (их кишечник, мышцы, кровь и т. д.).

Не только организмы зависят от среды, но и окружающая сре­да изменяется в результате жизнедеятельности организмов.

4.Первобытный облик нашей планеты значительно изменился под воздействием организмов: она приобрела атмосферу со свободным кислородом и почвенный покров. Из свободного кислорода образовался озон, препятствующий проникновению ультрафиолетового излучения к поверхности Земли. Так воз­ник "озоновый экран", обеспечивающий существование жизни на поверхности суши.

Из зеленых растений, накопивших в себе солнечную энергию в прошлые геологические эпохи, сформировались огромные запасы богатых энергией пород, таких, как уголь и торф. Ор­ганическое происхождение имеют известняки, мел и многие другие минералы. Растительный покров влияет на климат, дре­весная растительность делает его более мягким, уменьшает ко­лебания температуры и других метеорологических факторов. Влияние неживой природы на организмы и, наоборот, орга­низмов на неживые тела указывает на единство всей природы.

/. Раздражимость — свойство всех тел природы

2. Саморегуляция организмов

3. Адаптация живых организмов

4. Структурная организация жизни

1. Неотъемлемая черта, свойственная всему живому, — раздра­жимость, основные характеристики которой состоят в сле­дующем:

• является выражением одного из общих свойств всех тел при­роды — отражения;

• связана с передачей информации из внешней среды любой биологической системе (организм, орган, клетка);

• проявляется реакциями этих систем на внешнее воздействие.

Благодаря этому свойству достигается равновесие организмов с внешней средой:

• организмы избирательно реагируют на условия окружающей среды;

• способны извлекать из нее все необходимое для своего суще­ствования;

• с ним связан столь характерный для живых организмов обмен веществ, энергии и информации.

Свойство раздражимости обусловлено химическим строением самого субстрата жизни.

2. Получение необходимой информации обеспечивает в биологиче­ских системах саморегуляцию, которая осуществляется в орга­низмах по принципу обратной связи.

Продукты жизнедеятельности могут оказывать сильное и стро­го специфическое тормозящее воздействие на ферменты, состав­ляющие начальное звено в длинной цепи реакций. По принци­пу обратной связи регулируются:

• процессы обмена веществ;

• репродукции;

• считывания наследственной информации и т. д. Саморегуляцией в организмах поддерживается постоянство структурной организации — гомеостаз(греч. gomos — равный, неизменный, stasis — состояние). Организмам свойственно по­стоянство химического состава, физико-химических особенно­стей. Для всех живых существ характерно наличие механизмов, поддерживающих постоянство внутренней среды.

3. Биологическим системам на различных уровнях организации свойственна адаптация. Под адаптацией (лат. adapto — при­способляю) понимается приспособление живого к постоянно ме­няющимся условиям среды. В основе адаптации лежат явления раздражимости и характерные для нее адекватные ответные реакции. Адаптация вырабатывалась в процессе эволюции как следствие выживания наиболее приспособленных. Без адапта­ции невозможно поддержание нормального существования.

4. Структурная организация в широком смысле, т. е. определен­ная упорядоченность, обнаруживается не только при исследова­нии жизнедеятельности отдельных организмов. Организмы различных видов, связанные друг с другом через среду обита­ния, составляют биоценозы (исторически сложившиеся сообщества). В биоценозах в результате обмена веществ, энергии и информации между организмами и окружающей их неживой природой также поддерживается определенный биогенетический гомеостаз:

• постоянство видового состава

• и числа особей каждого вида.

1. Репродукция — поддержание жизни

2. Передача наследственной информации

3. Изменчивость

1. Жизнь существует в виде отдельных (дискретных) биологиче­ских систем (клеток, организмов и др.), а существование каж­дой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени, поэтому поддержание жизни на любом уровне связано с репродукцией.Любой вид состоит из особей, каждая из которых рано или поздно перестанет существовать, но благодаря репро­дукции (размножению) жизнь вида не прекращается. Размножение всех видов, населяющих Землю, поддерживает существование биосферы. Самовоспроизведение на молеку­лярном уровне обусловливает особенности обмена веществ живых организмов по сравнению с неживыми телами. Репродукция на молекулярном уровне осуществляется на основе матричного синтеза, т. е. новые молекулы синтезируются в со­ответствии с программой, заложенной в структуре ранее суще­ствовавших молекул. Матричный синтез служит основой для образования молекул белков и нуклеиновых кислот.

2. Наследственность обеспечивает материальную преемственность (поток информации) между поколениями организмов. Она тесно связана с репродукцией (авторепродукцией) жизни на молеку­лярном, субклеточном и клеточном уровнях.

Хранение и передача наследственной информации осуществ­ляются нуклеиновыми кислотами. Благодаря наследственности из поколения в поколение передаются признаки, обеспечи­вающие приспособление организмов к среде обитания.

3. Изменчивость означает свойство, противоположное наследс­твенности, связанное с появлением новых признаков,отличных от уже имеющихся. Если бы при репродукции всегда проявлялась только преемственность свойств и признаков, то эволю­ция органического мира была бы невозможна. Но живой при­роде свойственна изменчивость. В первую очередь она связана с "ошибками" при репродукции. По-иному построенные моле­кулы нуклеиновой кислоты несут новую наследственную информацию.

Новая измененная информация в большинстве случаев бывает вредной для организма, но в ряде случаев в результате измен­чивости организм приобретает свойства, которые могут ока­заться полезными в конкретных условиях. Новые признаки подхватываются и закрепляются отбором.Таким образом, на­следственная изменчивость создает предпосылки для видообра­зования и эволюции, а тем самым — и существования жизни.

1. Генетическая информация

2. Эволюционное развитие

1. Организмы, появляющиеся в результате репродукции, насле­дуют не готовые признаки, а определенную генетическую ин­формацию,возможность развития тех или иных признаков. Эта наследственная информация реализуется во время индивидуаль­ного развития, которое выражается:

• как правило, в увеличении массы (роста), что базируется на репродукции молекул, клеток и других биологических структур;

• в дифференцировании, т. е. появлении различий в структуре, усложнении функций и т. д.

2. Эволюционное развитие, основные закономерности которого установлены Ч. Дарвином, базируется на наследственной измен­чивости, борьбе за существование и отборе. Действие этих фак­торов привело к огромному разнообразию форм жизни, при­способленных к среде обитания. Прогрессивная эволюция про­шла

• доклеточные формы;

• одноклеточные организмы;

• все усложняющиеся многоклеточные.

Наконец, появился человек — существо, в котором, по выра­жению Ф. Энгельса, "природа приходит к осознанию самой себя". Однако вместе с человеком появилась новая форма су­ществования материи — социальная, высшая по сравнению с

биологической и несводимая к ней. В силу этого человек, в отличие от всех других существ, представляет собой биосоци­альный организм.

1. Диалектическое единство мира

2. Целостность и дискретность органического мира. Уровни его организации

3. Упорядоченность жизнедеятельности

4. Структуры уровней органического мира

1. Жизнь характеризуется диалектическим единством противопо­ложностей, она одновременно целостна и дискретна (лат. discretus - прерывистый). Органический мир целостен, сущест­вование одних организмов зависит от существования других. В очень общей и упрощенной форме это можно представить так:

• животные-хищники для своего питания нуждаются в сущес­твовании растительноядных, а последние - в существовании растений;

• растения в процессе фотосинтеза поглощают из атмосферы СО₂, выделение которого в атмосферу связано с жизнедеятель­ностью живых организмов;

• из почвы растения получают ряд минеральных веществ, коли­чество которых не истощается благодаря разложению органи­ческих веществ, осуществляемому бактериями, и т. д.

2. Органический мир целостен, так как составляет систему вза­имосвязанных частей, и в то же время дискретен. С дискретно­стью жизни связаны различные уровни организации органического мира. В середине XX в. в биологии сложились представления об уровнях организации как конкретном выражении упорядо­ченности — одного из основных свойств живого. Живое на нашей планете представлено в виде дискретных единиц — орга­низмов, или особей.

Каждый живой организм дискретен, т. е. состоит из единиц подчиненных ему уровней организации (органов, тканей, кле­ток). С другой стороны, сам является единицей, входящей в состав надорганизменных биологических микросистем (попу­ляции, биоценоза, биосферы в целом).

Вместе с тем каждый из органов, обладая определенной авто­номностью, действует как часть целого. Каждая клетка состоит из органоидов, но функционирует как единое целое. Хранение и передача наследственной информации осуществ­ляются генами, но ни один из генов вне всей совокупности не определяет развития признаков и т. д.

Жизнь связана с молекулами белков и нуклеиновых кислот, но только их единство, целостная система обусловливает сущест­вование живого.

На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как:

• дискретность и целостность;

• структурная организация (упорядоченность);

• обмен веществ, энергии и информации и т. д.

3. Характер проявления основных свойств жизни на каждом из уровней имеет качественные особенности и обладает упорядо­ченностью.Врезультате обмена веществ, энергии и информа­ции устанавливается единство живого и среды, но понятие среды для разных уровней различно.

Для дискретных единиц молекулярного и надмолекулярного (субклеточного) уровней окружающей средой является внут­ренняя среда клетки, для клеток тканей и органов — внутрен­няя среда организма. Внешняя живая и неживая среда на этих уровнях организации воспринимается через изменение внут­ренней среды, т. е. опосредованно. Для организмов (индиви­дуумов) и их сообществ среду составляют организмы того же и других видов и условия неживой природы.

4. Существование жизни на всех уровнях подготавливается и оп­ределяется структурой низшего уровня. Характер клеточного уровня организации определяется молекулярными и субкле­точными уровнями, организменный — клеточным, тканевым и органным, видовой (популяционный) — организменным и т. д. Для дискретных единиц характерно большое сходство дискрет­ных единиц на низших уровнях и все возрастающее разли­чие — на высших.

Таблица 1