ВходКакие существуют биологические науки. Биологические науки
Биология (от греческих слов bios - жизнь и logos - наука) - совокупность наук о живой природе. Биология изучает все проявления жизни, строение и функции живых существ и их сообществ, распространение, происхождение и развитие живых организмов, связи их друг с другом и с неживой природой.
Для живой природы характерны разные уровни организации ее структур, между которыми существует сложное соподчинение. Все живые организмы вместе с окружающей средой образуют биосферу, которая складывается из биогеоценозов. В них, в свою очередь, входят биоценозы, состоящие из популяций. Популяции составляют отдельные особи. Особи многоклеточных организмов состоят из органов и тканей, образованных различными клетками. Для каждого уровня организации жизни характерны свои закономерности. Жизнь на каждом уровне изучают соответствующие отрасли современной биологии.
Для изучения живой природы биологи применяют различные методы: наблюдение, позволяющее описать то или иное явление; сравнение, которое дает возможность установить закономерности, общие для разных явлений в живой природе; эксперимент, или опыт, когда исследователь сам искусственно создает ситуацию, помогающую выявить те или иные свойства биологических объектов. Исторический метод позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом познавать процессы развития живой природы. Кроме этих основных методов применяется много других.
Биология берет свое начало в глубокой древности. Описания животных и растений, сведения об анатомии и физиологии человека и животных были необходимы для практической деятельности людей. Одними из первых попытки осмыслить и привести в систему явления жизни, обобщить накопленные биологические знания и представления сделали древнегреческие, а позже древнеримские ученые и врачи Гиппократ, Аристотель, Гален и другие. Эти воззрения, развитые учеными эпохи Возрождения, положили начало современным ботанике и зоологии, анатомии и физиологии и другим биологическим наукам.
В XVI-XVII вв. в научных исследованиях наряду с наблюдением и описанием стал широко применяться эксперимент. В это время блестящих успехов достигает анатомия. В трудах известных ученых XVI в. А. Везалия и М. Сервета были заложены основы представлений о строении кровеносной системы животных. Это подготовило великое открытие XVII в. - учение о кровообращении, созданное англичанином У. Гарвеем (1628). Через несколько десятилетий итальянец М. Мальпиги открыл при помощи микроскопа капилляры, что позволило понять путь крови от артерий к венам.
Создание микроскопа расширило возможности изучения живых существ. Открытия следовали одно за другим. Английский физик Р. Гук открывает клеточное строение растений, а голландец А. Левенгук - одноклеточных животных и микроорганизмы.
В XVIII в. было накоплено уже много знаний о живой природе. Назрела необходимость классифицировать все живые организмы, привести их в систему. В это время закладываются основы науки систематики. Важнейшим достижением в этой области была «Система природы» шведского ученого К. Линнея (1735).
Дальнейшее развитие получила физиология - наука о жизнедеятельности организмов, их отдельных систем, органов и тканей и процессах, протекающих в организме.
Англичанин Дж. Пристли показал в опытах на растениях, что они выделяют кислород (1771 -1778). Позже швейцарский ученый Ж. Сенебье установил, что растения под действием солнечного света усваивают углекислый газ и выделяют кислород (1782). Это были первые шаги на пути исследования центральной роли растений в преобразовании веществ и энергии в биосфере Земли, первый шаг в новой науке - физиологии растений.
А. Лавуазье и другие французские ученые выяснили роль кислорода в дыхании животных и образовании животного тепла (1787-1790). В конце XVIII в. итальянский физик Л. Галь-вани открыл «животное электричество», что привело в дальнейшем к развитию электрофизиологии. В это же время итальянский биолог Л. Спалланцани провел точные опыты, опровергавшие возможность самозарождения организмов.
В XIX в. в связи с развитием физики и химии в биологию проникают новые методы исследования. Богатейший материал для изучения природы дали сухопутные и морские экспедиции в малодоступные прежде районы Земли. Все это привело к формированию многих специальных биологических наук.
На рубеже века возникла палеонтология, изучающая ископаемые остатки животных и растений - свидетельства последовательного изменения - эволюции форм жизни в истории Земли. Основоположником ее был французский ученый Ж. Кювье.
Большое развитие получила эмбриология - наука о зародышевом развитии организма. Еще в XVII в. У. Гарвей сформулировал положение: «Все живое из яйца». Однако лишь в XIX в. эмбриология стала самостоятельной наукой. Особая заслуга в этом принадлежит ученому-естествоиспытателю К. М. Бэру, открывшему яйцо млекопитающих и обнаружившему общность плана строения зародышей животных разных классов.
В результате достижений биологических наук в первой половине XIX в. широко распространилась идея родства живых организмов, их происхождения в ходе эволюции. Первую целостную концепцию эволюции - происхождения видов животных и растений в результате их постепенного изменения от поколения к поколению - предложил Ж. Б. Ламарк.
Крупнейшим научным событием века стало эволюционное учение Ч. Дарвина (1859). Теория Дарвина оказала огромное влияние на все дальнейшее развитие биологии. Делаются новые открытия, подтверждающие правоту Дарвина, в палеонтологии (А. О. Ковалевский), в эмбриологии (А. О. Ковалевский), в зоологии, ботанике, цитологии, физиологии. Распространение эволюционной теории на представления о происхождении человека привело к созданию новой отрасли биологии - антропологии. На основе эволюционной теории немецкие ученые Ф. Мюллер и Э. Геккель сформулировали биогенетический закон.
Еще одно выдающееся достижение биологии XIX в. - создание немецким ученым Т. Шванном клеточной теории, доказавшей, что все живые организмы состоят из клеток. Тем самым была установлена общность не только макроскопического (анатомического), но и микроскопического строения живых существ. Так возникла еще одна биологическая наука - цитология (наука о клетках) и как следствие ее - учение о строении тканей и органов - гистология.
В результате открытий французского ученого Л. Пастера (микроорганизмы являются причиной спиртового брожения и вызывают многие болезни) самостоятельной биологической дисциплиной стала микробиология. Работы Пастера окончательно опровергли представления о самозарождении организмов. Исследование микробной природы холеры птиц и бешенства млекопитающих привело Пастера к созданию иммунологии как самостоятельной биологической науки.
Существенный вклад в ее развитие внес в конце XIX в. русский ученый И. И. Мечников.
Во второй половине XIX в. многие ученые пытались умозрительно решить загадку наследственности, раскрыть ее механизм. Но только Г. Менделю удалось установить на опыте закономерности наследственности (1865). Так были заложены основы генетики, ставшей самостоятельной наукой уже в XX в.
В конце XIX в. были открыты митоз - деление клеток с точным и равным разделением хромосом между дочерними клетками и мейоз - образование из диплоидных клеток с двойным набором хромосом гаплоидных половых клеток - гамет с одинарным набором хромосом.
Важнейшее значение имело открытие вирусов русским ученым Д. И. Ивановским (1892).
В конце XIX в. большие успехи сделаны в биохимии. Швейцарский врач Ф. Мишер открыл нуклеиновые кислоты (1869), выполняющие, как было установлено в дальнейшем, функции хранения и передачи генетической информации. К началу XX в. было выяснено, что белки состоят из аминокислот, соединенных друг с другом, как показал немецкий ученый Э. Фишер, пептидными связями.
Физиология в XIX в. развивается в разных странах мира. Особенно существенными были работы французского физиолога К. Бернара, создавшего учение о постоянстве внутренней среды организма - гомеостазе. В Германии прогресс физиологии связан с именами И. Мюллера, Г. Гельмгольца, Э. Дюбуа-Реймона. Гельмгольц развил физиологию органов чувств, Дюбуа-Реймон стал основоположником изучения электрических явлений в физиологических процессах. Выдающийся вклад в развитие физиологии в конце XIX - начале XX в. внесли русские ученые: И. М. Сеченов, Н. Е. Введенский, И. П. Павлов, К. А. Тимирязев.
Генетика сформировалась как самостоятельная биологическая наука, изучающая наследственность и изменчивость живых организмов. Еще из работ Менделя следовало, что существуют материальные единицы наследственности, впоследствии названные генами. Это открытие Менделя было оценено лишь в начале XX в. в результате исследований X. де Фриза в Голландии, Э. Чермака в Австрии, К. Корренса в Германии. Американский ученый Т. Морган, исследуя гигантские хромосомы мухи дрозофилы, пришел к выводу, что гены находятся в клеточных ядрах, в хромосомах. Он, а также другие ученые разработали хромосомную теорию наследственности. Тем самым генетика в значительной мере объединилась с цитологией (цитогенетика) и стал понятен биологический смысл митоза и мейоза.
С начала нашего века началось быстрое развитие биохимических исследований во многих странах мира. Основное внимание было уделено путям превращения веществ и энергии во внутриклеточных процессах. Было установлено, что эти процессы в принципе одинаковы у всех живых существ - от бактерий до человека. Универсальным посредником в превращении энергии в клетке оказалась аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Советский ученый В. А. Энгельгардт открыл процесс образования АТФ при поглощении клетками кислорода. Открытие и исследование витаминов, гормонов, установление состава и строения всех основных химических компонентов клетки выдвинули биохимию на одно из ведущих мест в ряду биологических наук.
Еще на рубеже XIX и XX вв. профессор Московского университета А. А. Колли поставил вопрос о молекулярном механизме передачи признаков по наследству. Ответ на вопрос дал в 1927 г. советский ученый Н. К. Кольцов, выдвинув матричный принцип кодирования генетической информации (см. Транскрипция, Трансляция).
Матричный принцип кодирования был разработан советским ученым Н. В. Тимофеевым-Ресовским и американским ученым М. Дельбрюком.
В 1953 г. американец Дж. Уотсон и англичанин Ф. Крик использовали этот принцип при анализе молекулярной структуры и биологических функций дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Так на основе биохимии, генетики и биофизики возникла самостоятельная наука - молекулярная биология.
В 1919 г. в Москве был основан первый в мире Институт биофизики. Эта наука исследует физические механизмы преобразования энергии и информации в биологических системах. Существенная проблема биофизики - выяснение роли различных ионов в жизни клетки. В этом направлении работали американский ученый Ж. Леб, советские исследователи Н. К. Кольцов, Д. Л. Рубинштейн. Эти исследования привели к установлению особой роли биологических мембран. Неравновесное распределение ионов натрия и калия по обе стороны мембраны клетки, как показали английские ученые А. Л. Ходжкин, Дж. Экле и А. Ф. Хаксли, является основой распространения нервного импульса.
Значительных успехов добились науки, изучающие индивидуальное развитие организмов - онтогенез. Были разработаны, в частности, методы искусственного партеногенеза.
В первой половине XX в. советский ученый В. И. Вернадский создал учение о биосфере Земли. В это же время В. Н. Сукачев заложил основы представлений о биогеоценозах.
Изучение взаимодействия отдельных особей и их совокупностей с окружающей средой привело к формированию экологии - науки о закономерностях взаимоотношений организмов со средой обитания (термин «экология» предложил в 1866 г. немецкий ученый Э. Геккель).
Самостоятельной биологической наукой стала этология, изучающая поведение животных.
В XX в. получила дальнейшее развитие теория биологической эволюции. Благодаря развитию палеонтологии и сравнительной анатомии было выяснено происхождение большинства крупных групп органического мира, вскрыты морфологические закономерности эволюции (советский ученый А. Н. Северцов). Огромное значение для развития эволюционной теории имел синтез генетики и дарвинизма (работы советского ученого С. С. Четверикова, английских ученых С. Райта, Р. Фишера, Дж. Б. С. Холдейна), приведший к созданию современного эволюционного учения. Ему посвящены труды американских ученых Ф. Г. Добржанского, Э. Майра, Дж. Г. Симпсона, англичанина Дж. Хаксли, советских ученых И. И. Шмалъ-гаузена, Н. В. Тимофеева-Ресовского, немецкого ученого Б. Ренша.
Советский ученый Н. И. Вавилов на основании достижений эволюционной теории и генетики и в результате собственных многолетних исследований создал теорию центров происхождения культурных растений. А. И. Опарин распространил эволюционные представления на «предбиологический» период существования Земли и выдвинул теорию происхождения жизни.
Зоологи и ботаники в XX в. продолжали изучение жизни животных и растений в различных условиях обитания. Большие успехи были достигнуты в изучении отдельных групп животных и растений - орнитологии (птицы), энтомологии (насекомые), герпетологии (пресмыкающиеся), альгологии (водоросли), лихенологии (лишайники) и др. Выдающийся вклад в развитие зоологии внесли советские ученые М. А. Мензбир, С. И. Огнев, А. Н. Формозов, В. А. Догель, Л. А. Зенкевич, К. И. Скрябин, М. С. Гиляров и другие; ботаники - М. И. Голенкин, К. И. Мейер, А. А. Уранов, Л. И. Курсанов, В. Л. Комаров и другие.
Физиология животных развивалась под сильным влиянием трудов советских ученых И. П. Павлова, Л. А. Орбели, А. А. Ухтомского, А. Ф. Самойлова, английского ученого Ч. Шеррингтона и многих других.
Основное внимание было уделено физиологии центральной нервной системы, механизмам передачи сигналов по нерву и с нерва на мышцу.
В результате изучения регуляции формообразования, роста и развития животных в отдельную биологическую дисциплину выделилась эндокринология - наука о гормонах, имеющая важное значение для медицины.
Советский ученый М. М. Завадовский выдвинул концепцию взаимодействия эндокринных органов по принципу обратных связей (см. Эндокринная система).
Физиология растений добилась успехов в познании природы фотосинтеза, изучении участвующих в нем пигментов, и прежде всего хлорофилла.
С выходом человека в космическое пространство появилась новая наука - космическая биология. Основная задача ее - жизнеобеспечение людей в условиях космического полета, создание искусственных замкнутых биоценозов на космических кораблях и станциях, поиск возможных проявлений жизни на других планетах, а также подходящих условий для ее существования.
В 70-е гг. возникла новая отрасль молекулярной биологии - генная инженерия, задача которой - активная и целенаправленная перестройка генов живых существ, их конструирование, т. е. управление наследственностью. В результате этих работ стало возможным введение генов, взятых из одних организмов или даже искусственно синтезированных, в клетки других организмов (например, введение гена, кодирующего синтез инсулина у животных, в клетки бактерий). Стала возможной гибридизация клеток разных видов - клеточная инженерия. Разработаны методы, позволяющие выращивать организмы из отдельных клеток и тканей (см. Культура клеток и тканей). Это открывает огромные перспективы в размножении копий - клонов ценных индивидуумов.
Все эти достижения имеют чрезвычайно важное практическое значение - они стали основой новой отрасли производства - биотехнологии. Уже сейчас осуществляется биосинтез лекарств, гормонов, витаминов, антибиотиков в промышленных масштабах. А в будущем таким путем мы сможем получить основные компоненты пищи - углеводы, белки, липиды. Использование солнечной энергии по принципу фотосинтеза растений в биоинженерных системах разрешит проблему обеспечения энергией основных потребностей людей.
Значение биологии в наши дни неизмеримо возросло и в связи с проблемой сохранения биосферы из-за бурного развития промышленности, сельского хозяйства, роста населения Земли.
Появилось важное практическое направление биологических исследований - изучение среды обитания человека в широком смысле и организация на этой основе рациональных способов ведения народного хозяйства, охраны природы.
Другое важнейшее практическое значение биологических исследований - использование их в медицине. Именно успехи и открытия в биологии определили современный уровень медицинской науки. С ними связан и дальнейший прогресс медицины. О многих задачах биологии, связанных со здоровьем людей, вы прочтете в нашей книге (см. Иммунитет, Бактериофаг, Наследственность и др.).
Биология в наши дни становится реальной производительной силой. По уровню биологических исследований можно судить о материально-техническом развитии общества.
Накоплению знаний в новых и классических областях биологии способствует применение новых методов и приборов, например появление электронной микроскопии.
В нашей стране растет число биологических научно-исследовательских институтов, биостанций, а также заповедников и национальных парков, играющих важную роль как «природные лаборатории».
Большое число биологов разных специальностей готовят высшие учебные заведения (см. Биологическое образование в СССР). Многие из вас пополнят в будущем многочисленный отряд специалистов, перед которым стоят задачи решения важных биологических проблем.
В древности люди, собирая различные растения, охотясь на зверей и птиц, накапливали знания о них. Эти знания передавались из поколения в поколение и со временем послужили основой древнейшим биологическим наукам- ботанике и зоологии.
Люди болели, получали раны от зверей, врагов. Чтобы вылечиться, необходимо было знать анатомию человека, лекарственные средства. Так появились зачатки еще одной древней биологической науки - медицины.
Человек стал возделывать землю, приручать и одомашнивать зверей и птиц, выводить новые сорта растений и породы животных. Впоследствии из его наблюдений и знаний сложились основы сельскохозяйственных наук.
По мере роста человеческих знаний, расширения хозяйственных потребностей росла и развивалась семья биологических наук. Постоянное расширение и углубление биологических исследований со временем привело к делению древнейших биологических наук на новые самостоятельные науки, а некоторые из них, в свою очередь, разделились на новые направления. Например, ботаника подразделяется на альгологию - науку о водорослях, микологию - о грибах, лихенологию - о лишайниках, дендрологию - о древесных растениях, науку о высших и низших растениях и т. д.
В зависимости от целей познания изучаемых организмов применяются различные формы и методы исследований.
Появились новые биологические науки, связанные с новыми методами исследования,- биохимия растений и животных, биофизика , радиобиология и др. Изучение живых организмов на разных уровнях - целого организма, его органов, клеток, групп организмов - также породило новые биологические науки - молекулярную биологию, биогеоценологию.
Биологические науки имеют огромное значение для человека. Без их развития практически невозможен прогресс ни одной отрасли современного хозяйства. Например, развитие микробиологии много дало для пищевой, фармацевтической, медицинской промышленности, сельского хозяйства.
От прогресса биологических наук зависит решение важнейших вопросов нашего времени- охраны природы, повышения продуктивности растений, животных, почвы , создания безотходных типов производства, замкнутых биологических систем для длительных космических полетов и т. д.
Современные биологические науки сосредоточили свои усилия на решении нескольких главных проблем.
Одна из них-изучение строения и функций молекул, из которых построены живые организмы, процессов их образования, взаимодействия, реакции на внешние воздействия.
Другая важная проблема - познание процессов, происходящих в клетках организма, что дает возможность управлять ими. Управление этими процессами, а следовательно, развитием и состоянием самого организма, законами наследственности и изменчивости зависит от знания индивидуального и исторического развития организмов с учетом всего их многообразия и сложности существующих взаимосвязей в природе. Чтобы понять современные биологические процессы, историю формирования существующих жизненных форм и связей, возможных их изменений в будущем,необходимо продолжать исследования о происхождении жизни на Земле.
Бурное развитие хозяйственной деятельности человека, рост населения земного шара поставили перед всеми биологическими науками задачу изучения взаимоотношений между биосферой и человечеством, чтобы создать надежную систему охраны природы, разработать безвредную технологию производства, обеспечить благоприятные условия жизни для людей на Земле.
Следующее: БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЧАСЫ
Предыдущее: БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЛИМПИАДА
Интересное:
Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов , взаимодействие между собой и с окружающей средой .
Как самостоятельная наука биология выделилась из естественных наук в XIX веке , когда учёные обнаружили, что все живые организмы обладают некоторыми общими свойствами и признаками, в совокупности не характерными для неживой природы. Термин «биология» был введён независимо несколькими авторами: Фридрихом Бурдахом в 1800 году, Готфридом Рейнхольдом Тревиранусом в 1802 году и Жаном Батистом Ламарком в 1802 году.
Биологическая картина мира
В настоящее время биология - стандартный предмет в средних и высших учебных заведениях всего мира. Ежегодно публикуется более миллиона статей и книг по биологии, медицине , биомедицине и биоинженерии .
- Клеточная теория - учение обо всём, что касается клеток . Все живые организмы состоят как минимум из одной клетки - основной структурно-функциональной единицы организмов. Базовые механизмы и химия всех клеток во всех земных организмах сходны; клетки происходят только от ранее существовавших клеток, которые размножаются путём клеточного деления. Клеточная теория описывает строение клеток, их деление, взаимодействие с внешней средой, состав внутренней среды и клеточной оболочки, механизм действия отдельных частей клетки и их взаимодействия между собой.
- Эволюция . Через естественный отбор и генетический дрейф наследственные признаки популяции изменяются из поколения в поколение.
- Теория гена . Признаки живых организмов передаются из поколения в поколение вместе с генами , которые закодированы в ДНК . Информация о строении живых существ или генотип используется клетками для создания фенотипа , наблюдаемых физических или биохимических характеристик организма. Хотя фенотип, проявляющийся за счёт экспрессии генов, может подготовить организм к жизни в окружающей его среде, информация о среде не передаётся назад в гены. Гены могут изменяться в ответ на воздействия среды только посредством эволюционного процесса.
- Гомеостаз . Физиологические процессы, позволяющие организму поддерживать постоянство своей внутренней среды независимо от изменений во внешней среде.
- Энергия . Атрибут любого живого организма, существенный для его состояния.
Клеточная теория
Эволюция
Центральная организующая концепция в биологии состоит в том, что жизнь со временем изменяется и развивается посредством эволюции , и что все известные формы жизни на Земле имеют общее происхождение. Это обусловило сходство основных единиц и процессов жизнедеятельности, упоминавшихся выше. Понятие эволюции было введено в научный лексикон Жаном-Батистом Ламарком в 1809 году. Чарльз Дарвин через пятьдесят лет установил, что её движущей силой является естественный отбор , так же как искусственный отбор сознательно применяется человеком для создания новых пород животных и сортов растений . Позже в синтетической теории эволюции дополнительным механизмом эволюционных изменений был постулирован генетический дрейф .
Теория гена
Форма и функции биологических объектов воспроизводятся из поколения в поколение генами , которые являются элементарными единицами наследственности. Физиологическая адаптация к окружающей среде не может быть закодирована в генах и быть унаследованной в потомстве (см. Ламаркизм). Примечательно, что все существующие формы земной жизни, в том числе, бактерии, растения, животные и грибы, имеют одни и те же основные механизмы, предназначенные для копирования ДНК и синтеза белка. Например, бактерии, в которые вводят ДНК человека, способны синтезировать человеческие белки.
Совокупность генов организма или клетки называется генотипом . Гены хранятся в одной или нескольких хромосомах. Хромосома - длинная цепочка ДНК, на которой может быть множество генов. Если ген активен, то последовательность его ДНК копируется в последовательности РНК посредством транскрипции . Затем рибосома может использовать РНК, чтобы синтезировать последовательность белка , соответствующую коду РНК, в процессе, именуемом трансляция . Белки могут выполнять каталитическую (ферментативную) функцию, транспортную, рецепторную , защитную, структурную, двигательную функции.
Гомеостаз
Гомеостаз - способность открытых систем регулировать свою внутреннюю среду так, чтобы поддерживать её постоянство посредством множества корректирующих воздействий, направляемых регуляторными механизмами. Все живые существа, как многоклеточные, так и одноклеточные, способны поддерживать гомеостаз . На клеточном уровне, например, поддерживается постоянная кислотность внутренней среды (). На уровне организма у теплокровных животных поддерживается постоянная температура тела. В ассоциации с термином экосистема под гомеостазом понимают, в частности, поддержание растениями и водорослями постоянной концентрации атмосферного кислорода и диоксида углерода на Земле.
Энергия
Выживание любого организма зависит от постоянного притока энергии. Энергия черпается из веществ, которые служат пищей, и посредством специальных химических реакций используется для построения и поддержания структуры и функционирования клеток. В этом процессе молекулы пищи используются как для извлечения энергии , так и для синтеза биологических молекул собственного организма.
Первичным источником энергии для подавляющего большинства земных существ является световая энергия, главным образом солнечная , однако некоторые бактерии и археи получают энергию посредством хемосинтеза . Световая энергия посредством фотосинтеза превращается растениями в химическую (органические молекулы) в присутствии воды и некоторых минералов. Часть полученной энергии затрачивается на наращивание биомассы и поддержание жизни, другая часть теряется в виде тепла и отходов жизнедеятельности. Общие механизмы превращения химической энергии в полезную для поддержания жизни называются дыхание и метаболизм .
Уровни организации жизни
Живые организмы представляют собой высокоорганизованные структуры, поэтому в биологии выделяют ряд уровней организации. В различных источниках некоторые уровни опускаются или совмещаются друг с другом. Ниже представлены основные уровни организации живой природы обособленно друг от друга.
- Молекулярный - уровень взаимодействия молекул , составляющих клетки и обуславливающих все её процессы.
- Клеточный - уровень, на котором рассматриваются клетки как элементарные единицы строения живого.
- Тканевой - уровень совокупностей сходных по строению и функциям клеток, образующих ткани .
- Органный - уровень отдельных органов , обладающих собственным строением (объединением типов тканей) и местоположением в организме.
- Организменный - уровень отдельного организма .
- Популяционно-видовой уровень - уровень популяции, составляемой совокупностью особей одного вида .
- Биогеоценотический - уровень взаимодействия видов между собой и с различными факторами окружающей среды.
- Биосферный уровень - совокупность всех биогеоценозов , включающих и обуславливающих все явления жизни на Земле.
Биологические науки
Большинство биологических наук является дисциплинами с более узкой специализацией. Традиционно они группируются по типам исследуемых организмов:
- ботаника изучает растения , водоросли , грибы и грибоподобные организмы ,
- зоология - животных и протистов ,
- микробиология - микроорганизмы и вирусы .
- биохимия изучает химические основы жизни,
- биофизика изучает физические основы жизни,
- молекулярная биология - сложные взаимодействия между биологическими молекулами,
- клеточная биология и цитология - основные строительные блоки многоклеточных организмов, клетки,
- гистология и анатомия - строение тканей и организма из отдельных органов и тканей,
- физиология - физические и химические функции органов и тканей,
- этология - поведение живых существ,
- экология - взаимозависимость различных организмов и их среды,
- генетика - закономерности наследственности и изменчивости ,
- биология развития - развитие организма в онтогенезе ,
- палеобиология и эволюционная биология - зарождение и историческое развитие живой природы.
На границах со смежными науками возникают: биомедицина , биофизика (изучение живых объектов физическими методами), биометрия и т. д. В связи с практическими потребностями человека возникают такие направления, как космическая биология , социобиология , физиология труда , бионика .
Биологические дисциплины
История биологии
Хотя концепция биологии как особой естественной науки возникла в XIX веке , биологические дисциплины зародились ранее в медицине и естественной истории . Обычно их традицию ведут от таких античных учёных, как Аристотель и Гален через арабских медиков аль-Джахиза , ибн-Сину , ибн-Зухра и ибн-аль-Нафиза . В эпоху Возрождения биологическая мысль в Европе была революционизирована благодаря изобретению книгопечатания и распространению печатных трудов, интересу к экспериментальным исследованиям и открытию множества новых видов животных и растений в эпоху Великих географических открытий . В это время работали выдающиеся умы Андрей Везалий и Уильям Гарвей , которые заложили основы современной анатомии и физиологии . Несколько позже Линней и Бюффон совершили огромную работу по классификации форм живых и ископаемых существ. Микроскопия открыла для наблюдения ранее неведомый мир микроорганизмов, заложив основу для развития клеточной теории . Развитие естествознания, отчасти благодаря появлению механистической философии , способствовало развитию естественной истории .
К началу XIX века некоторые современные биологические дисциплины, такие как ботаника и зоология , достигли профессионального уровня. Лавуазье и другие химики и физики начали сближение представлений о живой и неживой природе. Натуралисты, такие как Александр Гумбольдт , исследовали взаимодействие организмов с окружающей средой и его зависимость от географии, закладывая основы биогеографии , экологии и этологии . В XIX веке развитие учения об эволюции постепенно привело к пониманию роли вымирания и изменчивости видов , а клеточная теория показала в новом свете основы строения живого вещества. В сочетании с данными эмбриологии и палеонтологии эти достижения позволили Чарльзу Дарвину создать целостную теорию эволюции, в основе которой лежит естественный отбор . К концу XIX века идеи самозарождения окончательно уступили место теории инфекционного агента как возбудителя заболеваний. Но механизм наследования родительских признаков всё ещё оставался тайной .
Популяризация биологии
См. также
| Портал «Биология » | |
| Биология в Викисловаре | |
| Биология в Викицитатнике | |
Определение 1
Биология - это естественная наука, которая включает изучение жизни и живых организмов, включая их физическую и химическую структуру, функцию, развитие и эволюцию.
Современная биология - это обширная область, состоящая из многих отраслей. Несмотря на широкий охват и сложность науки, существуют определенные объединяющие концепции, которые объединяют ее в единую, согласованную область. В целом, биология распознает клетку как основную единицу жизни, гены как основную единицу наследственности и эволюцию как двигатель, который продвигает создание новых видов. Также понятно, что все организмы выживают, потребляя и трансформируя энергию и регулируя их внутреннюю среду.
Субдисциплины биологии
Субдисциплины биологии определяются масштабом изучения жизни, изучаемыми организмами и методами их изучения. Выделяют такие основные субдисциплины биологии:
- Молекулярная биология - изучение к молекулярной основы биологической активности между биомолекулами в различных системах клетки, включая взаимодействие между ДНК, РНК и белками и их биосинтезом, а также регулирование этих взаимодействий.
- Цитология (клеточная биология) - наука, изучающая живые клетки, их составные части - органеллы, а также вопросы их строения, функционирования, размножения, старения и смерти.
- Генетика - наука, о закономерностях наследственности и изменчивости.
- Анатомия - это учение об макроскопических формах, таких как структурные органы и систем органов.
Замечание 1
Некоторые биологические науки возникли в результате процесса дифференциации, постепенного отделения, что способствовало углублению исследований в соответствующих направлениях.
Молекулярная биология
Замечание 2
Молекулярная биология - это изучение биологии на молекулярном уровне. Это поле перекрывается с другими областями биологии, особенно с генетикой и биохимией. Молекулярная биология - это исследование взаимодействий различных систем внутри клетки, включая взаимосвязь синтеза ДНК, РНК и белка и то, как эти взаимодействия регулируются.
Большая часть молекулярной биологии является количественной, и в последнее время большая часть этой науки была с математикой и информатикой - в области биоинформатики и вычислительной биологии. В начале 2000-х годов изучение структуры и функции генов, молекулярной генетики, было одним из наиболее заметных областей молекулярной биологии.
Все большее количество других областей биологии сосредоточено на молекулах, либо непосредственно изучая взаимодействия в своей собственной области, такие как в клеточной биологии и биологии развития, или косвенно, где молекулярные методы используются для определения исторических характеристик популяций или видов, как в областях эволюционной биологии таких как популяционная генетика и филогенетика. Существует также давняя традиция изучения биомолекул «с нуля» в биофизике.
Цитология
Цитология (клеточная биология), изучает структурные и физиологические свойства клеток, включая их внутреннее поведение, взаимодействие с другими клетками и с их окружением. Клеточная биология объясняет структуру, организацию содержащихся в ней органелл, их физиологические свойства, метаболические процессы, пути сигнализации, жизненный цикл и взаимодействие с окружающей средой. Это делается как на микроскопическом, так и на молекулярном уровне, поскольку он охватывает прокариотические клетки и эукариотические клетки.
Знание компонентов клеток и способов работы клеток имеет фундаментальное значение для всех биологических наук; это также важно для исследований в биомедицинских областях, таких как рак и другие заболевания. Понимание структуры и функции клеток является фундаментальным для всех биологических наук. Сходства и различия между типами клеток особенно актуальны для молекулярной биологии.
Генетика
Определение 2
Генетика - это наука о генах, наследственности и вариации организмов.
Гены кодируют информацию, необходимую клеткам для синтеза белков, которые, в свою очередь, играют центральную роль в влиянии на окончательный фенотип организма. Генетика предоставляет инструменты исследования, используемые при исследовании функции конкретного гена, или анализ генетических взаимодействий. Внутри организмов генетическая информация физически представлена как хромосомы, внутри которой она представленаопределенной последовательностью аминокислот, в частности молекул ДНК.
Генетика обычно считается областью биологии, что часто пересекается со многими другими науками о жизни и тесно связана с изучением информационных систем.
Отцом генетики является Грегор Мендель, ученый конца XIX века и августинский монарх. Мендель изучал «наследство признаков», образцы в способе передачи черт от родителей к потомству. Он заметил, что организмы (растения гороха) наследуют черты посредством дискретных «единиц наследования». Этот термин, который все еще используется сегодня, представляет собой несколько двусмысленное определение того, что называется геном. Таким образом Мендель открыл некоторые основные принципы гинетики:
- принцип единообразия гибридов первого поколения
- принцип расщепления признаков
- принцип независимого наследования признаков
Наследование генов и механизмы молекулярного наследования по-прежнему являются первичными принципами генетики, но современная генетика расширилась за пределы изучения наследования до изучения функций и поведения генов. Изучаются структура и функция гена, вариации и распределение в контексте клетки, организма (например, доминирования) и в контексте популяции. Генетика породила ряд подобластей, включая эпигенетику и популяционную генетику. Организмы, изученные в широком поле, охватывают область жизни, включая бактерии, растения, животных и людей.
Генетические процессы работают в сочетании с окружающей средой и опытом организма, чтобы влиять на развитие и поведение, часто называемое природой против воспитания. Внутриклеточная или внеклеточная среда клетки или организма может включать или выключать транскрипцию гена. Классический пример - два семена генетически идентичной кукурузы, один из которых расположен в умеренном климате и один в засушливом климате. В то время как средняя высота двух кукурузных стеблей может быть генетически определена как равная, таковая в засушливом климате только возрастает до половины высоты в умеренном климате из-за нехватки воды и питательных веществ в окружающей среде.
Анатомия
изучает внутреннее строение организмов.
Морфология
изучает внешнее строение организмов.
Физиология
изучает работу организма.
Биохимия изучает химический состав живых организмов и химические реакции обмена веществ.
- Хроматография – метод разделения смесей веществ на отдельные вещества.
Генетика изучает закономерности наследственности и изменчивости.
- метод: изучение однояйцевых близнецов.
- метод изучает родословные.
- метод: скрещивание организмов и анализ потомства.
- метод: изучение количества и строения хромосом.
Селекция занимается выведением новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов.
Микробиология изучает микроорганизмы (бактерии и грибы).
Биотехнология использует биологические системы и процессы в сельском хозяйстве и промышленности.
- Генная инженерия: пересадка гена в организм другого вида, например, пересадка человеческого гена в бактерию.
- Клеточная инженерия:
- пересадкой клеточных ядер;
- выращивание нового организма из яйцеклетки с замененным ядром (клонирование животных);
- выращивание целого организма из одной или нескольких соматических клеток;
- выращивание тканей и органов «в пробирке» (культура клеток и тканей);
- объединение клеток организмов разных видов (получение гибридных клеток).
Цитология (молекулярная биология) изучает строение и работу органоидов клетки.
- Микроскопирование: разглядывание клетки в микроскоп.
- Центрифугирование : разделение клетки на фракции по плотности.
Гистология изучает ткани.
Систематика (классификация, таксономия) изучает многообразие живых организмов и распределяет их по группам на основании эволюционного родства.
Эволюционная теория изучает закономерности возникновения приспособлений организмов к среде обитания.
Палеонтология изучает ископаемые остатки организмов.
Экология изучает взаимодействия живых организмов между собой и с окружающей их средой (в том числе загрязнённой).
Эмбриология изучает развитие организма животного от момента образования зиготы до рождения (начальные стадии онтогенеза).
Этология изучает поведение животных.
Общенаучные методы
- эмпирические (практические)
- наблюдение
- мониторинг (непрерывное наблюдение и фиксация результатов)
- описание, измерение
- эксперимент
- теоретические
- сравнение, классификация
- анализ, синтез
- абстрагирование, обобщение
- моделирование
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. К эмпирическим методам изучения живой природы относят:
1) наблюдение
2) сравнение
3) абстрагирование
4) моделирование
5) эксперимент
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Выращивание тканей вне организма - пример метода
1) культуры клеток
2) микроскопирования
3) центрифугирования
4) генной инженерии
Ответ
Прочитайте текст. Выберите три предложения, в которых даны описания особенностей анатомии древних людей неандертальцев. Запишите цифры, под которыми указаны выбранные утверждения.
(1) Неандертальцы жили 150тыс. лет назад, останки найдены в Германии в 1856 году. (2) Жили группами по 50-100 человек в пещерах, которые отвоевывали у медведей, львов, гиен. (3) Рост 155-160 см, объем мозга 1200 – 1400 см3, извилин мало. (4) Лицо широкое, скуластое. (5) Охотились коллективно, устраивая облавы на северных оленей, лошадей, слонов, медведей, зубров, шерстистых носорогов. (6) Ходили согнувшись, позвоночник без изгибов, мускулатура развита хорошо.
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Влияние условий среды обитания на формирование признаков организма изучает наука
1) систематика
2) генетика
3) селекция
4) анатомия
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Гибридологический метод исследования используют.
1) эмбриологи
2) селекционеры
3) генетики
4) экологи
5) биохимики
Ответ
1. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие методы исследования используют в цитологии?
1) центрифугирование
2) культура ткани
3) хроматография
4) генеалогический
5) гибридологический
Ответ
2. Выберите два верных ответа из пяти. Какие методы используют для изучения строения и функций клетки?
1) генная инженерия
2) микроскопирование
3) цитогенетический анализ
4) гибридизация
5) центрифугирование
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Изучение биологических объектов, процессов в различных специально созданных условиях осуществляют с помощью методов:
1) абстрагирования
2) клонирования
3) моделирования
4) обобщения
5) эксперимента
Ответ
1. Установите соответствие между достижениями и направлением биологии: 1) клеточная инженерия, 2) генная инженерия. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) Клонирование
Б) Получение вакцин в культуре клеток
В) Отдаленная гибридизация растений
Г) Трансгенные организмы
Д) Создание банков генов
Е) Получение безвирусного посадочного материала
Ответ
2. Установите соответствие между характеристиками и методами биотехнологии: 1) генная инженерия, 2) клеточная инженерия. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) использование рекомбинантных плазмид
Б) гибридизация протопластов
В) трансплантация ядер
Г) выращивание культуры клеток
Д) соматическая гибридизация
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Процессы деления клеток изучают с помощью методов
1) дифференциального центрифугирования
2) культуры клеток
3) микроскопии
4) микрохирургии
5) фото- и киносъемки
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. В клеточной инженерии используют следующие методы:
1) клонирование
2) культура клеток и тканей
3) микробиологический синтез
4) пересадка природных генов в ДНК бактерий или грибов
5) центрифугирование
Ответ
Выберите два верных ответа. Микробиологическое производство как область биотехнологии занимается
1) созданием генетически модифицированных растений
2) изучением клеток бактерий
3) получением антибиотиков и витаминов
4) систематикой вирусов
5) синтезом кормового белка
Ответ
1. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Генная инженерия, в отличие от клеточной, включает исследования, связанные с
1) культивированием клеток высших организмов
2) гибридизацией соматических клеток
3) пересадкой генов
4) пересадкой ядра из одной клетки в другую
5) получение рекомбинантных (модифицированных) молекул РНК и ДНК
Ответ
2. Выберите два верных ответа. Какие приёмы используют в клеточной инженерии?
1) слияние соматических клеток
2) скрещивание организмов
3) пересадка хлоропластов из клетки в клетку
4) синтез гена инсулина в пробирке
5) получение рекомбинантной ДНК
Ответ
1. Выберите два верных ответа. Методы биотехнологии позволяют
1) изучить превращение веществ в процессе жизнедеятельности организмов
2) получить растения с генетически изменёнными признаками
3) обнаружить изменения, возникшие в организме в результате онтогенеза
4) изучить микроскопические структуры клеток
5) изменить наследственность микроорганизмов путём клеточной инженерии
Ответ
2. Ниже приведен перечень методов исследования. Все они, кроме двух, используются в биотехнологии. Найдите два метода, «выпадающих» из общего ряда, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) метод рекомбинантных плазмид
2) соматическая гибридизация
4) межвидовая гибридизация растений
5) испытание производителя по потомству
Ответ
3. Все приведённые ниже характеристики, кроме двух, используют для описания методов биотехнологии. Определите две характеристики, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) эксперименты с изолированными клетками
2) перенос генов от одного организма к другому
3) выращивание клеток и тканей на питательных средах
4) получение гетерозисных растений
5) испытание производителя по потомству
Ответ
4. Выберите два верных результата из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Вклад биотехнологии в медицину состоит в
1) использовании химического синтеза для получения лекарственных препаратов
2) создании лечебных сывороток на основе плазмы крови иммунизированных животных
3) синтезе гормонов человека в бактериальных клетках
4) изучении родословных человека для выявления наследственных заболеваний
5) культивировании штаммов бактерий и грибков для производства антибиотиков в промышленных масштабах
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. С открытием мейоза «гипотеза чистоты гамет» получила подтверждение
1) цитологическое
2) эмбриологическое
3) гистологическое
4) генетическое
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Какой метод позволил получить гибрид табака и картофеля?
1) искусственный мутагенез
2) гетерозис у гибридов
3) гибридизация соматических клеток
4) массовый отбор потомства
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Организменный уровень организации живого изучают
1) биохимия
2) гистология
3) морфология
4) физиология
5) цитология
Ответ
Какие науки изучают живые системы на организменном уровне? Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) анатомия
2) биоценология
3) физиология
4) молекулярная биология
5) эволюционное учение
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие биологические науки работают с объектами, относящимися к организменному уровню организации жизни?
1) генетика
2) биохимия
3) биология
4) цитология
5) анатомия
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие биологические науки изучают надорганизменные уровни организации жизни?
1) молекулярная биология
2) экология
3) биоценология
4) цитология
5) гистология
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие биологические науки работают с объектами, oтносящимися к клеточному уровню организации жизни?
1) цитология
2) палеонтология
3) эмбриология
4) генетика
5) микробиология
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие биологические науки работают с объектами, относящимися к популяционно-видовому уровню организации жизни?
1) генетика
2) экология
3) эмбриология
4) эволюционное учение
5) анатомия
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. Объекты изучения каких из приведённых наук находятся на надорганизменном уровне организации живого.
1) молекулярная биология
2) экология
3) эмбриология
4) систематика
5) анатомия
Ответ
1. Какие примеры относят к биологическому эксперименту? Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) рассматривание под микроскопом клетки крови лягушки
2) слежение за миграцией косяка трески
3) изучение характера пульса после разных физических нагрузок
4) лабораторное исследование влияния гиподинамии на состояние здоровья
5) описание внешних признаков бобовых растений
Ответ
2. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Что из нижеперечисленного можно установить экспериментальным методом?
1) сроки весенней линьки у белки
2) влияние удобрений на рост комнатного растения
3) сроки прилета или отлета перелетных птиц
4) высоту комнатного растения
5) условия прорастания семян
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. В каких из указанных научных исследований применялся экспериментальный метод?
1) исследование растительного мира тундры
2) опровержение теории самозарождения Л. Пастером
3) создание клеточной теории
4) создание модели молекулы ДНК
5) исследование процессов фотосинтеза
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. Какие методы исследования позволили установить структуру молекулы ДНК?
1) микроскопия
2) наблюдение
3) рентгенологический
4) цитогенетический
5) моделирование
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. Для определения количества эритроцитов в крови человека используют методы
1) гибридизации
2) измерения
3) эксперимента
4) клонирования
5) микроскопирования
Ответ
Установите последовательность этапов размножения растений с помощью культуры ткани. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) деление выделенных клеток и получение клеточной массы
2) отделение клеток образовательной ткани растения и помещение их в питательную среду
3) пересадка молодого растения в грунт
4) дифференцировка тканей и органов
5) обработка клеточной массы фитогормонами для дифференцировки клеток
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Примеры каких научных методов иллюстрирует сюжет картины голландского художника Я. Стена «Пульс»?