Биология как наука. Сущность жизни. Свойства живого. Уровни организации живого. Клеточная теория.
Лекция 1
Биология – совокупность естественных наук о жизни, об общих закономерностях существования и развития живых существ.
Предметом изучения биологии служат живые организмы, их строение, функционирование, индивидуальное и историческое развитие организмов, взаимоотношения их друг с другом и с окружающей средой. Термин «биология» был предложен немецким анатомом Т.Рузом, после чего впервые был использован Ж.Б. Ламарком и Г. Тревиранусом ( 1802 г. ).
Стремление человека познать живую природу, всегда было вызвано практическими нуждами человека. Так в древности были заложены основы ботаники ( Теофраст, около 300 л. до н.э. описал более 500 видов растений, дал отличия между двудольными и однодольными растениями), зоологии (Аристотель, около 350 л. до н.э.). Именно Аристотелю принадлежит первая классификация животных.
Герофил около 300 лет до н.э. описал внутренние органы,оставив сведения по сравнительной анатомии человека.
Начала биологии, как и всего естествознания связаны с эпохой возраждения. Самым известным ученым того времени был Леонардо Да Винчи, который внес огромный вклад в развитие многих наук. Он продолжал пополнять классификацию растений, описал гомологичные органы. Изучал работу сердца, зрительного анализатора и многих др. органов человека.
Гарвей В 16 веке открыл кровообращение. Борелли стал основоположником физиологии.
Чрезвычайно быстрое накопление научных знаний о животных, растений и человеке привело к разделению биологии на отдельные науки.
По мере накопления конкретных знаний наряду с представлениями о разнообразии организмов возникла идея о единстве всего живого, стала зарождаться эволюционная теория. В 1809 году Жан Батист Ламарк выступил с первой концепцией эволюции (слайд № 1).
Применение микроскопа дало начало развитию гистологии, эмбриологии, цитологии. В 1838-1839 годах Т. Шванн и М. Шлейден сформулировали клеточную теорию. Р. Вирхов в 1858 году обосновал универсальный принцип преемственности клеток путем их деления.
(Слайд №2) В 1859 году Чарльз Дарвин объяснил процесс развития и становления видов и вскрыл механизмы эволюции.
Процесс в биологии, наметившийся после формирования клеточной теории, эволюционного учения Ч. Дарвина и ряда других больших открытий ХIХ века, привел к начальному этапу возникновения генетики, в том числе и генетики человека. В последней четверти ХIХ века наибольший вклад в становление генетики человека внес английский биолог Galton (1822-1911).
Гальтон первым поставил вопрос о наследственности человека как предмете для изучения. Он первым стал применять близнецовый, генеалогический методы и ряд статистических методов для изучения изменчивости и наследственности человека.
Несмотря на большой вклад Гальтона в изучения закономерностей наследования признаков, основоположником генетики считается Грегор Мендель, который в 1865 году сформулировал основные законы наследования признаков ( слайд № 3).
Опыты Менделя и выводы, сделанные в них, заложили основу концепции гена, которая актуальна и в настоящее время.
Существенный вклад в изучение проблемы генетики человека внес А. Гаррод. Выдающийся английский клиницист, хорошо знавший биологию и биохимию. На примере заболевания алкаптонурия он доказал взаимосвязь между генами и ферментами и вскрыл механизмы врожденных нарушений обмена веществ. Используя генетико-биохимические подходы к изучению болезней человека, он заложил основы молекулярной патологии.
Первая половина ХХ века ознаменовалась бурным развитием не только генетики.
В.И. Вернадским (слайд № 4) создается учение о биосфере и ноосфере. Начинает развиваться наука – экология, основоположником которой считается Геккель.
К выдающимся достижениям биологии относятся: установление химической природы гена, расшифровка генетического кода, механизмов реакций матричного синтеза нуклеиновых кислот, ультраструктурной организации клетки; заложены основы клеточной патологии; выделены новые научно-практические направления генной инженерии и биотехнологии.
История развития биологии свидетельствует о том, что каждый этап на пути познания закономерностей жизни приводил к изменению оценки сущности и механизмов патологических процессов и, соответственно, пересмотру теории и практики лечебной и профилактической медицины.
Современная биология включает множество направлений, имеет собственную терминологию и специфические и общие методы изучения объектов такие как:
Описательный метод, заключающийся в сборе фактического материала и описании его. Этот метод был основным на протяжении долгого времени и остается актуальным и в настоящее время, например, изучение клеток и их структур с помощью микроскопа;
- сравнительный, появился в биологи в 17 века , с помощью этого метода появилась возможность изучать живое путем сравнения, выявлять их сходство и отличия. Этот метод позволил заложить основы систематики растений и животных и сформулировать клеточную теорию.
- исторический, был введен в биологию Ч. Дарвиным. Этот метод перевел биологии из чисто описательной науки в науку которое могла объяснить как произошли и как функционируют многообразные живые системы на Земле;
- экспериментальный метод. позволяет активно изучать то или иное явление жизни с помощью опыта. Его основоположнгиком в биологии является Гарвей Блестящий экспериментатор И.П. Павлов говорил: «Наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что он хочет».
К новым методам исследования в современной биологии относится метод моделирования какого-либо процесса или явления, при этом могут быть воспроизведены такие крайние положения, которые не всегда могут воссоздаваться на живом объекте.
Место и задачи биологии в системе подготовки врача.
Важность изучения биологии для медика определяется прежде всего тем, что биология – это теоретическая основа медицины. Успехи медицины тесно связаны с достижениями и открытиями в биологии.
Открытие Мечниковым в 1882 году явления фагоцитоза легло в основу фагоцитарной теории иммунитета и вскрыло механизмы сопротивляемости организма возбудителям болезни, объяснило явление тканевой несовместимости, которая является очень важной проблемой для хирургии и трансплантологии органов. Его исследования по изучению жизнедеятельности микроорганизмов стало предпосылкой для открытия антибиотиков.
Понимание того, что свойства организма вытекают из характера молекул, составляющих субклеточные структуры, клетки, ткани, органы и организмы, позволяет изучать патологический процесс с позиций биологии.
Изучение мутационного процесса у человека расширило представление о причинах возникновения наследственных болезней и позволило обосновать современные методы их диагностики и лечения. Развитие цитогенетики человека является ярким примером значения фундаментальных исследований для практического здравоохранения. Так с открытия в 1956 году Тио и Левана хромосомного набора человека, состоящего из 46 хромосом, начался новый этап в изучении хромосомных болезней. Была установлена цитогенетическая картина многих врожденных патологий, например синдром Патау ( трисомия по 13 паре хромосом), синдром Эдвардса ( трисомия по 18 паре хромосом), Лежен установил, что синдром Дауна связан с трисомией по 21 хромосоме.
Следующим переломным моментом изучении генов человека стала разработка методов дифференциальной окраски хромосом, что позволило на сегодняшний день установить локализацию практически всех генов в хромосомах человека. Работы по изучению сцепления генов открыли новые практические возможности диагностики наследственных болезней и установлении полиморфизма наследственных признаков.
В последнее время все больше болезней связано с неблагоприятным воздействием на организм факторов окружающей среды. Человек как часть природы существует в популяциях, включен в экосистемы, испытывает на себе влияние биотических и абиотических факторов, сам оказывает на эту среду сильное воздействие. Поэтому знание биологических закономерностей необходимо для обоснования научных подходов охраны природы, в том числе с целью профилактики возникновения новых для человечества болезней - экологически зависимых.
Таким образом основной задачей будущих врачей остается получение необходимых медико-биологических знаний для дальнейшего их использования в диагностики, лечении и профилактики заболеваний.
Сущность жизни. Развитие понятия жизни на современном этапе.
Накопленные знания в области биологии и химии во второй половине ХIХ века позволили сделать вывод, что основным субстратом жизни является белок. Ф. Энгельс определил жизнь как «способ существования белковых тел, существенным моментом которого является обмен с окружающей средой. У неорганических тел также может происходить обмен веществ, но разница заключается в том, что обмен неорганических тел разрушает их, а обмен органических тел является необходимым условием их существования».
В связи с открытием в 1869 году Мишером нуклеиновых кислот, был пересмотрен и субстрат жизни. Стало ясно, что под субстратом следует понимать комплекс биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. В настоящее время не известно ни одной живой системы без совокупности ДНК (или РНК) и белка. Все процессы характеризующие жизнь связаны с комплексными свойствами этих соединений.
Главной особенностью субстрата жизни является его упорядоченность на молекулярном уровне (так ДНК представляет собой двухцепочечную молекулу, построенную по принципу комплементарности). Эта упорядоченность приводит, в сою очередь, к формированию надмолекулярных структур (хроматид, хромосом, хромонем, хромомер, фибрилл). Описанная упорядоченность комплекса белка и нуклеиновых кислот в пространстве влечет за собой упорядоченность во времени, что, в конечном итоге, обеспечивает строгую последовательность жизненно важных процессов.
Живые системы непрерывно обмениваются с окружающей средой энергией, веществами и информацией, т.е. существуют в форме открытых систем. С потоком вещества и энергии связано самообновление при сохраненных структурах в живом. С потоком информации связана преемственность между сменяющими друг друга биологическими системами – самовоспроизведение и ауторегуляция (саморегуляция), обеспечивающая постоянство структур и внутренней среды – гомеостаз.
В связи с изложенным, наиболее точным и современным представляется определение жизни, данное академиком М.В. Волькенштейном: «Живые тела существующие на Земле это есть открытые, саморегулирующиеся, самообновляющиеся, самовоспроизводящиеся системы, состоящие из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».
Основные свойства живых систем.
1. Обмен веществ и энергии. Все живые организмы используют внешние источники энергии в виде пищи, света и т.д. Основу обмена веществ составляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции и диссимиляции. При этом непрерывный поток веществ сопровождается непрерывным потоком энергии. Осуществление этих процессов обусловлено каталитической активностью белков.
2. Наследственность. Это свойство заключается в способности сохранять и передавать наследственную информацию из поколения в поколение. Наследственность обусловлена относительной стабильностью, т.е. постоянством строения молекул ДНК. Таким образом, наследственность, основанная на потоке информации, тесно связана с ауторепродукцией на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях.
3.Репродукция. Способность к самовоспроизведению является важнейшим свойством всех живых существ. « Все живое происходит только от живого» этот термин означает , что жизнь возникла путем самозарождения лишь однажды и с тех пор начало живому дает только живое. На молекулярном уровне самовоспроизведение осуществляется на основе матричного синтеза ДНК. НА клеточном уровне это обеспечивается различными типами деления митозом или мейозом. Поддержание жизни базируется на способности отдельных особей размножаться. И, таким образом, ограниченное во времени существование не сказывается на общей биомассе оболочки Земли.
4. Изменчивость. Стабильность наследственной информации в природе весьма относительна. Изменения ее на различных уровнях – генных, хромосомных, геномных лежат в основе наследственной изменчивости. Она же наряду с другими факторами (естественным отбором, генным потоком и т.д.) обеспечивает эволюцию органического мира. Чаще всего мутации вредны, но в ряде случаев, организм приобретает полезные свойства (1:1000), которые подхватываются и закрепляются отбором, приводя к видообразованию, а значит к существованию жизни.
5. Индивидуальное развитие. Любая живая система – клетка, особь проходит через свой онтогенез, в основе которого лежит реализация генетической информации. Она основана на избирательной активности генов на различных стадиях индивидуального развития (поля и время действия генов). Фенотипически онтогенез выражается, например, в увеличении массы клеток (рост); в развитии (наступление половой зрелости) и т.д.
6. Филогенетическое развитие. Любой онтогенез есть краткое повторение исторического развития. В основе закономерностей филогенеза лежат элементарные эволюционные факторы (наследственная изменчивость, естественный отбор и т.д.), приводящие к появлению огромного разнообразия форм жизни от доклеточных до многоклеточных, вплоть до человека. Вместе с биологической формой существования материи появилась и социальная, в силу чего Homo sapiens представляет собой биосоциальный организм.
11. Раздражимость- свойство отражения любой информации из внешней среды любой биологической системы. Это свойство позволяет избирательно реагировать на изменяющиеся условия и адаптироваться к ним.
12. Дискретность и целостность- всеобщее свойство живой материи. Любая биологичекая система состоит из отдельных, но взаимодействующих частей, образующих структурно-функциональное единство. Любой организм представляет собой целостную систему, которая однако объединяет дискретные частицы ( клетки, ткани, органы системы органов). Органический мир целостен, поскольку существование одних органов зависит от других. В тоже время он дискретен, складываясь из отдельных организмов.
Самым показательным примером дискретности и целостности являются существующие в природе уровни организации живой материи:
Молекулярный ( молекулярно- генетический). объектом изучения на этом уровне являются молекулы биополимеров ( слайд № 5 ) Элементарной единицей молекулярного уровня является участок молекулы ДНК, реже РНК) – ген, несущий определенный объем информации. Благодаря способности ДНК к редупликации происходит сохранение и передача информации последующим генерациям клеток, особей. В результате мутаций при репликации (ошибок синтеза ДНК) возникают изменения в генах, появляются новые белки-ферменты и появляются новые признаки.
Субклеточный. Объект исследования на этом уровне – отдельные структуры клетки, например, органоиды, в которых происходят основные процессы метаболизма клетки. Так реализация генетической информации (этап трансляции) осуществляется в рибосомах, синтез сложных соединений – гликолипидов, гликопротеидов – в полостях аппарата Гольджи. Процессы расщепления биополимеров протекают в других субклеточных структурах – лизосомах. Каждый клеточный компонент выполняет строго определенные функции (дискретность), обеспечивая, в целом, все жизненные, биологические проявления (целостность) на клеточном, а затем и последующих уровнях (слайд:– органоиды, ЭМ).
Клеточный (слайд 7 – клетка, ЭМ). Объект исследования – про- и эукариотическая клетка. Клетка является структурной и функциональной единицей живых систем, а также единицей развития. Вещества, поступающие в клетку, превращаются в субстраты и энергию, которые используются клеткой на строительные, защитные, каталитические и другие функции. Таким образом, реакции клеточного метаболизма создают основу жизни на других уровнях, прежде всего, на тканевом.
Тканевой (слайд 8 – различные ткани). Объект исследования этого уровня – ткани. В процессе эмбрионального развития на основе избирательной активности генов возникают различия между популяциями клеток, клетки становятся специализированными и образуют 4 типа тканей: – эпителиальная, соединительная, нервная, мышечная При этом каждая ткань запрограммирована на определенные свойства и функции: эпителиальные – покрывают наружные и выстилают внутренние органы; соединительная – выступает во многих ролях: основа костей, хрящей, крови и пр.; нервная ткань обладает уникальными свойствами – раздражимости и проводимости, а потому из нее развивается нервная система, призванная обеспечить быструю связь между разными частями организма. Наконец, мышечная ткань обладает другим свойством – сократимостью, благодаря которому возможны разнообразные движения.
Из различных тканей (чаще всего всех) формируются в процессе морфогенеза отдельные органы – сердце, печень и др. Такой уровень организации жизни называется органным.
Совокупность (комплекс) органов, подчиняющихся различным формам регуляции – нервной, гуморальной, генной, дает организменный уровень организации живого. На этом уровне обнаруживается труднообозримое многообразие форм. Так, современная флора и фауна представлена 2млн. видов (1,5 – животные, 0,5 – растения). Элементарной единицей организменного уровня является особь, онтогенез которой протекает с момента образования зиготы до прекращения существования в качестве живой системы. Этот уровень еще называют онтогенетическим. Именно на этом уровне заканчивается реализация генетической программы и формируется определенный фенотип данного биологического вида. Именно на этом уровне можно наблюдать возрастную изменчивость, основанную на времени действия генов.
Совокупность особей одного вида, занимающая определенный ареал обитания, образует следующий уровень организации жизни – популяционно-видовой. Это надорганизменная система, в которой осуществляется свободное скрещивание, и потому эта система генетически открытая. В такой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования.
Популяции разных видов не могут жить изолированно друг от друга и вне связи с окружающей средой. Поэтому в процессе эволюции сложились устойчивые сообщества – биогеоценозы, характеризующиеся определенными абиотическими показателями и образующие биогеоценотический уровень организации жизни. В каждом биогеоценозе осуществляется круговорот веществ и энергии, ведущая роль в котором принадлежит живым системам.
Биогеоценоз – это открытая для веществ и энергии система, поэтому объединяясь в единый комплекс они образуют глобальный уровень организации жизни – биосферный. Этот уровень охватывает все явления жизни на нашей планете и в круговороте веществ и энергии участвуют все живые системы.
Следует отметить, что хотя все уровни организации живого узнаваемы, они тесно связаны между собой, вытекают один из другого, что и говорит о целостности живой природы.
Представления об уровнях организации жизни имеют прямое отношение к медицине: на больного следует смотреть с позиций дискретности и в то же время целостности живой системы. Хорошие знания структур и функций каждого уровня жизни обеспечат безошибочную диагностику. Знание человеческих популяций бесспорно помогает в определении наследственной патологии, а особенностей биогеоценозов позволяет предполагать характер того или иного эпидемиологического процесса.
Клетка- основа жизни.
Первые исследования клеток были проведены в 1665г. англ. Р.Гук рассматривая под микроскопом срез пробки, обнаружил, что она состоит из ячеек и назвал их клетками. Ячеистое строение он обнаружил и у др. растений бузины, камыша и т.д.
Мальпиги и Грю описали клеточную оболочку. Левенгук обнаружил одноклеточные организмы.
Пуркинье- цитоплазму, Броун –ядро.
Дальнейший этап развития учения о клетке связан с созданием клеточной теории. 1838г. Шлейден пришел к выводу, что растения состоят из клеток.
1 839 году к такому же выводу относительно животных клеток пришел Шванн.
Опираясь на данные том, что клетки животных и растений имеют ядра они сформулировали клеточную теорию.
1. Клетка является главной структурной единицей всего живого.
2. Животные и растительные организмы имеют клеточное строение.
3. Выдающийся вклад в развитие клеточной теории внес Вирхов в 1858 году вышел его труд « Целлюлярная патология». Клетка от клетки –этот постулат означает, что клетки может возникнуть лишь из предшествующей клетки и другие пути появления клеток отсутствуют.
4. Вне клетки жизни нет.
5. Большой вклад в развитие клеточной теории сыграли труды русских исследователей К. Бер описал оплодотворенную яйцеклетку- зиготу. Доказав, что в основе многоклеточного организма лежит одна клетка- зигота из которой развиваются клетки, ткани и органы организма.
6. Исследования Сеченова , Боткина, Павлова показали, что организм это не просто сумма клеток ( как ошибочно считал Вирхов) – это целостная система, части которой функционируют благодаря деятельности нервной и гуморальной систем.
Эти и многие другие открытия помогли сформулировать современные положения клеточной теории:
1.Клетка является структурно-функциональной единицей, а также единицей развития всех живых организмов.
2. Клетками присуще мембранное строение.
3. Ядро-главная составляющая часть клетки.
4. Клетки размножаются только делением.
5. Клеточное строение организма- свидетельство того, что растения и животные имеют единое происхождение.