Уровни организации живого и система биологических наук

Курс лекций

по дисциплине «Биология с основами экологии» для студентов 310800 «Ветеринария»

Составитель:

Щербакова Е.Н., к.б.н., доцент кафедры «Ветеринарной медицины» АГУ.

АСТРАХАНЬ, 2008

Лекция 1.

Роль биологических знаний в жизни современного человека.

С различными проявлениями знаний основ биологии человек как отдельная особь и как биологический вид сталкивается с момента своего рождения. Рождаясь, человеческий детеныш (правда, не только человеческий), порой лучше чем собственные родители знает, что принесет его организму пользу, а что – вред. И хотя зачастую, подобные знания списываются на чисто рефлекторно-интуитивные, некоторые их аспекты человек сохраняет всю свою жизнь. К таким знаниям относятся такие как знания биологических ритмов, пищевой ценности некоторых продуктов, интуитивное знание в период болезни о пищевом режиме. Подобные рефлекторные знания мы наблюдаем у многих домашних животных, использующих различные травы для восстановления и лечения организма при многих патологических состояниях.

Подобное поведение можно наблюдать и на ранних стадиях становления человека как вида. На заре своего развития биологические знания были для человека способом выжить как биологический вид. С усложнением психофизического и социального развития и появлением интеллекта роль биологических знаний несомненно возрастает. Это связанно с тем фактором что в тот период своего исторического развития существования человека и как вида, и как социума зависело только от условий окружающей среды, как абиотического (температура, давление, влажность, рельеф, климат), так и биологических (биологическое разнообразие и численность животных и растений, биология и экология конкретного вида биоресурсов).

Для нормального и продуктивного существования человека как биологического вида, а так же для дальнейшего его развития как в биологическом, так и в социальном аспекте, требовалось накопление и передача следующим поколениям знаний знания об окружающей среде, качестве и количестве пищевых ресурсов. Занимаясь охотой и собирательством, человек должен был знать повадки животных, характер их пищевой ценности, различать съедобные и ядовитые растения, использовать лекарственные растения.

Перевод слова «Биология» - как «наука о жизни» полностью оправдывает себя, - это наука о том как жить нам, и о том как живут рядом с нами. Некоторые представления о подобных знания доисторического человека дошли до нас в виде наскальных рисунков.

Древнейшими цивилизациями, какими в настоящее время признаны цивилизации Китая, Месопотамии и Египта были накоплены сведения о множестве видов растений, их лекарственных и других свойствах растений и животных, о способах одомашнивания многих видов животных.

Философы величайших из древних цивилизаций – Древнегреческой – стали основоположниками не только описательной, но и систематизирующей биологии. Греческие философы, живущие еще в 4 и в5 веках до нашей эры, в своих трудах выдвигали различные теории о происхождении растений и животных. Аристотель в своих сочинениях достаточно точно описал многие виды животных и растений. Он описал развитие эмбриона цыпленка, размножение акул и пчел, выдвинул первую идею эволюции животного мира, предложил «лестницу природы», согласно которой, растения и животные постепенно изменяясь под воздействием внутреннего стремления к совершенству, двигаются вверх в своем развитии к более сложной и совершенной организации.

Другой греческий ученый Галлей, ставший основоположником современной медицины, изучал процессы происходящие в организме. Для этого он первый начал использовать подопытных животных. Будучи первым физиологом-эксперементатором, он изучил некоторые функции головного мозга. Долгие тринадцать веков он оставался главным авторитетом в анатомии, хотя в его работах множество ошибок, так как он описывал строение человеческого организма, а для вскрытия использовал свиней и обезьян.

Следующим всплеском в развитии наук , и том числе биологии, стала эпоха Возрождения, ознаменовавшиеся работами таких ученых как Роджер Бэкон, Альберт Великий, Леонардо да Винче.

Профессор Падуанского университета Андрей Везалий впервые производил вскрытие человеческих трупов, делал описания увиденного и обнаружил неточности в работах Галлея. Он подчеркивал, что для понимания происходящих процессов и явлений необходимо опираться на собственные наблюдения и суждения, а не на мнения авторитетов. Такое вольнодумство и пренебрежение авторитетами в то время стоило ему профессорской кафедры.

Основоположником изучения процессов кровообращения стал английский врач Ульям Гарвей, опубликовавший свой трактат о кровообразовании и кровообращении. По мнения Галлея кровь образуется в печени из пищи, откуда попадает во все органы тела и полностью там используется. Предполагалось, что в сердце отсутствует мышечная ткань, и что оно пассивно расширяется под действием тока крови. Гарвей на основе собственных наблюдений описал процесс наполнения кровью предсердий и выталкивание ее в результате сокращений мышечной ткани предсердий. Он доказал, что кровь вытекает из артерии толчками, ритм которых соответствует ударам сердца. На основе этих наблюдений Гарвей предположил, что кровь оттекает от сердца по артериям и возвращается к нему по венам. Подобные исследования положили начало развитию новой науки – физиологии, изучающей функции отдельных органов и систем.

Изобретение и изготовление микроскопа открыло новые горизонты для исследований. Роберт Гук, Марчелло Мальпиги, Антонии Ван Ливенгук и Ян Сваммердам исследовали строение тканей животных и растений. При помощи микроскопа с увеличением в 30 раз Гук обнаружил ячеистое строение среза пробки, назвав увиденные образования клетками. Ливенгу, используя микроскоп с увеличением в 270 раз, описал сперматозоиды человека, бактерий, простейших и ядра в клетках крови.

В средние века, в эпоху воинствующего Христианства и Инквизиции, особо жестокими гонениями подвергались ученые, посягнувшие на мысль о божественной сущности человека, о бренности бытия, где не место знаниям, способным продлить человеческий век и идущие в разрез с «божьей волей». Тем ценней для потомков знания, ценой за которые стала не одна человеческая жизнь и судьба.

В данный период в развития биологии происходило накопление фактических данных, и он получил название описательного этапа.

Следующий этап, получивший название систематический ознаменован созданием системы живого Карла Линнея, который кроме предложенной классификации растений и животных предложил использовать единую бинарную (двойную, состоящую из родового и видового названия) номенклатуру растений и животных, которая используется и по сей день.

Важным вкладом в развитие теоретической биологии, а так же закладкой новой науки – эмбриологии, стали работы Карла Бэра. Закон, сформулированный им, и по сей день является одним из основополагающих не только в эмбриологии, но и лег в основу эволюционного учения.

Накопление достаточного количества фактических данных и начало их теоретического осмысления ставило перед учеными еще более глобальные вопросы, а именно вопрос о становлении и развитии видов. Во многих работах еще с древнейших времен пытались дать свое объяснение данного вопроса, но наиболее значимыми теориями о происхождении видов и движущих силах эволюции были даны Жаном Батистом Ламарком и Чарльзом Дарвиным.

19 век был очень щедрым на открытия в различных отраслях науки, и биология не стала исключением. Кроме уже упомянутых выше, следует отметить появление клеточной теории, открытия законов наследственности, появление такой науки как микробиология и многие другие важнейшие открытия.

20 век стал веком величайших достижений науки, и толчком к переходу на новую ступень исследовательской деятельности стало применение физических и химических методов исследования в биологии. Так на стыке наук появляются биохимия, молекулярная биология, биофизика, радиобиология и многие другие. Самостоятельной наукой становится экология, ставшая в дальнейшем так же синтетической отраслью знания.

Невозможно переоценить значения биологических знаний для современного человека. Развитие любой науки открывает перед человеком новые горизонты, позволяет значительно улучшить качество собственной жизни и по достоинству оценить то, что дает человеку окружающей его мир. Область применения биологических знаний огромен. Он затрагивает практически все отрасли жизни, от элементарно- бытовых, до космических.

Лекция 2.

Уровни организации живого и система биологических наук.

Живая природа представляет собой совокупность огромного количества объектов различной организации, для удобства изучения которых, принято различать уровни организации живого. Уровень организации – функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей «системе систем» живого.

Молекулярный (молекулярно-генетический) уровень организации представлен молекулами различных химических веществ, входящих в состав клетки. К таким молекулам относятся молекулы как органического, так и неорганического происхождения. Наиболее значимыми молекулами неорганической природы являются молекулы кислорода, водорода, железа и некоторых солей. К органическим молекулам относятся молекулы белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, липидов, сахаров. Несмотря на достаточно большое разнообразие органических молекул, большие различие в их строении и функции, основными компонентами данных молекул являются атомы углерода, кислорода, водорода и азота.

Синтез органических молекул из неорганических, создание из низкомолекулярных соединений высокомолекулярных и надмолекулярных образований, физико-химические процессы, лежащие в основе этого образования являются основой жизнедеятельности и функционирования всех живых организмов. Изучением процессов, протекающих на молекулярном уровне, занимается молекулярная биология.

Следующим уровнем организацией является более сложная структура, построенная из молекул, но являющаяся иногда самостоятельной единицей живого – клетка – Клеточный уровень организации. Именно клетка является той элементарной единицей живого, которой присуще все его свойства. Все клетки принято делить на доядерные – не имеющие четко обособленного ядра, и ядерные – имеющие четко оформленное ядро. К доядерным клеткам относятся бактериальные клетки, к ядерными – большинство одноклеточных организмов, клетки растений и животных.

Отдельная клетка представляет собой сложно организованную структуру, включающую систему органоидов, выполняющих различные функции, определенный количественный и качественный состав химических элементов. Клетка является системой, обладающей гомеостазом – способностью поддерживать внутреннюю среду в определенных, строго ограниченных рамках. Это позволяет клетке выживать в изменяющихся условиях окружающей среды. Это обеспечивается сложной системой мембран и рецепторов. Изучением функционирования клеток занимается целый ряд биологических наук. Общие строением и функции органоидов изучает цитология – наука о клетке. Изучением прокариотических клеток занимается микробиология, доклеточных организмов – вирусов и плазмид – вирусология. Изучению простейших одноклеточных растений и животных посвящены разделы ботаники и зоологии. Известно, что любой живой организм формируется из одной клетки – зиготы, появившейся в результате слияния двух половых клеток. Строение половых клеток, зиготы, этапы формирования эмбриона и зародыша изучает эмбриология.

Клетки представляют собой не только самостоятельные образования, но и лежат в основе более сложных образований – тканей растений и животных – Органно-тканевой уровень организации живого. Объединение клеток в ткани и разделение функций между тканями и соответственно клетками стало важнейшим этапом в эволюции живого, так как в дальнейшем привело к появлению сложных многоклеточных организмов. На уровне тканей происходит уже более заметное разделение между растениями и животными. Основными тканями животных является эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная, у растений выделяют меристематические, покровные, проводящие. Для каждого вида тканей характерно особая форма, строение, химический состав клеток. Многие высокоспециализированные клетки утрачивают один или несколько своих органоидов, некоторые приобретают дополнительные. Например, проводящие ткани растений утрачивают большинство органоидов, но приобретают более прочную клеточную стенку, половые клетки так же являются высокоспециализированными и обладают особым строением, клетки мышечной ткани имеют большое количество митохондрий. Строение и функции тканей изучает гистология.

Следующий уровень организации живого – Популяционно-видовой. Вид – это группа сходных по строению и происхождению особей, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство. Популяция- структурная единица вида, форма существования вида в данных условиях. Структуру и свойства популяции изучает популяционная экология.

Биоценотический уровень организации живого – это взаимосвязанная структура видов, населяющих более или менее однородный участок суши или водоема.

И завершающий уровень организации живого – Биосферный – совокупность всех биоценозов Земли.

Лекция 3.