Биология как наука

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Биология как наука

1. Биология как наука: объекты, содержание, структура

Биология - наука о живой природе, одна из естественных наук, объектом изучения которой являются живые существа. Биология изучает все проявления жизни: структуру, функционирование, рост и развитие, происхождение, эволюцию, распределение живых организмов на Земле, взаимодействие организмов между собой и с окружающей средой, классифицирует и описывает живые существа.

Как особая наука биология выделилась из естественных наук в XIX веке. Термин «биология» (греч. bios - жизнь и logos - учение, наука) впервые был предложен в 1802 г. французским натуралистом Ж.Б. Ламарком и независимо от него немецким ботаником Г.Р. Тревиранусом.

Биология наука комплексная. Традиционно биологические науки определяются по основным группам исследуемых организмов. В частности, бактерии изучаются бактериологией или наукой более широкого плана - микробиологией, предметом интереса которой служат все микроскопические живые организмы. Протистология изучает протисты. Микология исследует представителей царства Грибы. Зоология - изучает животных. Ботаника - биологическая наука о растениях.

Отдельные стороны проявления жизни изучают и такие биологические науки, как:

- морфология, изучает внешнее и внутреннее (анатомия) строение организмов, отдельных органов, их видоизменение в зависимости от окружающей среды, закономерности строения и процессы формирования;

- цитология, изучает строение и жизнедеятельность клеток;

- гистология, изучает ткани и их распределение в органах;

- эмбриология, изучает закономерности образования зародыша, его строение и развитие;

- физиология, изучает процессы жизнедеятельности организмов (фотосинтез и транспорт веществ, дыхание, почвенное питание, развитие и др.);

- систематика, наука о разнообразии видов, их классификации;

- экология, исследует взаимоотношения организмов друг с другом и с окружающей средой, влияние условий обитания на их структуру и жизнедеятельность;

- биогеография, изучает размещение и распространение отдельных видов живых организмов и сообществ на поверхности Земли;

- фитоценология - наука о растительных сообществах (фитоценозах), изучающая закономерности их строения, развития, распространения, использования и возможности их преобразования.

Существуют разделы биологии, изучающие отдельные группы живых организмов: альгология изучает водоросли, бриология - мхи, птеридология - папоротники, лихенология - лишайники, дендрология - древесные растения, орнитология - птиц, маммология - пресмыкающихся и т.д.

2. Общие свойства и уровни организации живой материи

Живые организмы обладают рядом общих свойств и признаков, которые отличают их от тел неживой природы:

- клеточное строение. Клетка - базовая структурно-функциональная единица жизни. Все живые организмы состоят из одной или многих клеток, либо из продуктов секреции этих клеток;

- типичный химический состав. Химические вещества, из которых построены живые организмы (белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы), более сложные, чем вещества, из которых состоит большинство тел неживой природы;

- обмен веществ с окружающей средой и энергозависимость. Все организмы представляют собой открытые биологические системы, являющиеся устойчивыми лишь при условии непрерывного доступа к ним различных веществ и энергии извне. Живые организмы извлекают, преобразуют и используют вещества и энергию из окружающей среды и возвращают в нее продукты распада и преобразованную энергию, например, в виде тепла. В результате обмена веществ (питание, дыхание, выделение) между живой и неживой природой осуществляется круговорот веществ и перенос энергии от одного организма к другому, что создает условия для существования растений, животных, грибов, микроорганизмов и человека, в частности, на нашей планете;

- дискретность (прерывистость). Живой организм (или иная биологическая система) отграничены от окружающей среды определенными структурами, которые регулируют обмен веществами, сводят к минимуму потери веществ и служат для поддержания пространственного единства системы;

- целостность. Составляющие части живой системы тесно связаны между собой и образуют структурно-функциональное единство;

- саморегуляция. Живые организмы обладают способностью поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов (гомеостаз). Недостаток поступления каких-либо веществ мобилизует внутренние ресурсы организмов, а избыток - вызывает прекращение синтеза этих веществ. В зависимости от меняющихся условий внешней среды, путем саморегуляции в живых системах автоматически устанавливаются на определенном уровне те или иные физиологические процессы;

- рост и развитие. В течение жизни организмы претерпевают ряд количественных (возрастает число клеток, масса тела) и качественных (дифференцировка клеток, образование тканей и органов, старение) изменений;

- размножение и самовоспроизведение. Размножение (увеличение численности) связано с явлением передачи наследственной информации с помощью нуклеиновых кислот и является самым характерным признаком живого. Генетический материал, передаваемый потомству, определяет возможные пределы развития организма, его структур, функций и реакций на окружающую среду. В то же время потомки обычно похожи на своих родителей, но не идентичны им;

- изменчивость. Это способность организмов приобретать новые свойства и признаки;

- способность к адаптациям. Живые организмы приспосабливаются к постоянно изменяющейся окружающей среде - особенности строения, функций и поведения данного организма, соответствуют его образу жизни;

- раздражимость. Это способность живых организмов отвечать на определенные внешние или внутренние воздействия специфическими реакциями, что помогает им выжить;

- способность к движению. Все живые организмы способны к движению: для животных характерно активное движение, а для растений - ростовые движения.

Живые системы отличаются от тел неживой природы высокой структурной и функциональной сложностью. Эта особенность включает все выше названные признаки и делает состояние жизни качественно новым свойством материи.

Как уже было сказано выше, живым организмам характерна целостность. Наименьшей частью организма, которая обладает свойствами живой материи является молекула (ДНК, РНК).

Для удобства изучения живой материи выделяют до 10 уровней ее организации: молекулярный, органоидный, клеточный, тканевой, органный, организменный, популяционный, видовой, биоценотический и экосистемный. Все эти уровни по существу можно свести к трем основным: клеточному, организменному и надорганизменному.

Особенность организации жизни на Земле состоит в том, что все функциональные единицы структурных уровней находятся в иерархическом соподчинении - меньшие подсистемы составляют большие, а сами в то же время являются подсистемами более крупных систем.

3. Возникновение и многообразие жизни на Земле

Земля как планета закончила свое формирование примерно 4,6 млрд. лет назад (начало формирования - ~ 7 млрд. л.н. и продолжалось ~ 2,5 млрд. л - космогонический этап). Этой цифрой датируется начало гадейского эона (надэры; 4,6-3,9 млрд. л.н.). Геологических доказательств существования в это время живых организмов на Земле нет.

Когда точно жизнь возникла на Земле не известно. Однако известно, что уже в архейском эоне (3,9-2,6 млрд. л.н.) существовали различные простейшие организмы.

К этому времени относится возникновение древнейших осадочных пород. Эти породы содержат либо биогенный углерод, связанный в своем происхождении с жизнедеятельностью организмов, либо строматолиты и микрофоссилии.

Строматолиты - кораллоподобные осадочные образования (карбонатные или кремниевые), представляющие собой продукты жизнедеятельности древнейших автотрофов (в основном цианобактерий). Микрофоссилии - микроскопические включения в осадочные породы ископаемых микроорганизмов.

Согласно наиболее разработанной теории (однако и довольно спорной) А.И. Опарина (а также Дж. Холдейна и Г. Меллера), жизнь возникла в «первичном» океане (водный раствор различных неорганических веществ: соединения азота, углерода, серы, фосфора и т.д.) из элементов неживой природы, т.е. абиогенным путем.

В тех условиях (мощные атмосферные электрические разряды, ультрафиолетовое излучение, внутреннее разогревание Земли) простейшие неорганические соединения постепенно превращались во все более и более сложные органические вещества (аминокислоты, азотистые основания, сахара). С течением времени первобытный океан превратился в раствор органических соединений - «первичный, или питательный бульон» - среду благоприятную для образования новых, более сложных органических молекул (белков и нуклеиновых кислот).

Затем эти полимеры начали объединяться в многомолекулярные системы («коацерватные капли»), которые постепенно усложнялись, совершенствовались и дали начало первым живым существам - прокариотам - примитивным бактериям (~3,6 млрд. л.н.).

Питались первые бактерии гетеротрофно, т.е. путем поглощения готовых органических и неорганических веществ «первичного бульона». Они быстро размножались и, в конечном итоге, им стало не хватать питательных элементов. Некоторые организмы в этих условиях выработали способность самостоятельно производить органические вещества. Таким образом появились первые автотрофные организмы (прокариоты), которые синтезировали органические вещества путем хемосинтеза - синтеза органических веществ благодаря энергии поступающей в результате окисления некоторых неорганических веществ (Н₂S, NН₃ и т.д.) без выделения О₂ либо в результате фотосинтеза - синтеза органического вещества благодаря солнечной энергии, однако тоже без выделения О₂ (так как донорами электронов в этом процессе выступала не Н₂О, а, например, Н₂S - в результате накапливалась сера):

CO₂ + 2H₂S > (CH₂O) + 2Sv + H₂O

Таким образом, первые автотрофы были анаэробными организмами.

Древнейшие бактериальные сообщества были похожи на пленки плесени, располагавшиеся на дне водоемов или в их прибрежной зоне. Оазисами жизни часто служили вулканические области, где на поверхность из внутренних слоев Земли поступали H₂, S и H₂S - основные доноры электронов.

В конце Архея - начале Протерозоя (2,6-0,6 млрд. л.н.) возникли цианобактерии, которые были способны к фотосинтезу с выделением свободного О₂ (так как донором электронов в процессе являлась Н₂О) - это первые аэробные организмы, благодаря деятельности которых в атмосфере стал накапливаться свободный О₂ (атмосфера стала окислительной), что явилось предпосылкой возникновения в середине Протерозоя (~1,8 млрд. л.н.) первых одноклеточных эукариотов (протистов) - строгих аэробов, имеющих более сложное строение, в клетках которых имелось ядро. Предполагают, что это были планктонные организмы.

CO₂ + 2H₂O > (CH₂O) + O₂^ + H₂O

Длительное время в Протерозое цианобактерии и эукариоты существовали совместно, а затем эукариоты вытеснили цианобактерий и стали преобладать.

В конце Протерозоя (~1 млрд. л.н.) появились многоклеточные организмы. Незадолго до начала четвертого эона - Фанерозоя (начало 570 млн. л.н.) - уже существовала развитая система сообществ, в которых преобладали планктонные (свободноплавающие) и бентосные (донные) водоросли и многоклеточные растительноядные животные.

Породы фанерозоя изобилуют ископаемыми животными и растениями.

В течение трех эр фанерозоя (Палеозой, 570-230 млн. л.н.; Мезозой, 230-65 млн. л.н.; Кайнозой, начало 65 млн. л.н.) происходила и до сих пор происходит совместная эволюция живых организмов. Особенность истории развития живых организмов в фанерозое состояла в том, что определенным группам животных соответствовали определенные группы растений.

Древнейшие наземные растения (риниофиты) появились в конце силура палеозойской эры, т.е. ~410-420 млн. л.н. назад. В девоне - карбоне возникли все основные группы (таксоны) ныне живущих и вымерших растений, за исключением покрытосеменных. Однако господствующими формами в течение всего палеозоя, начиная с середины девона, были различные споровые: хвощевидные, плауновидные и папоротниковидные, древоивдные формы которых нередко образовывали леса. Среди животных в конце палеозоя господствовали рыбы и земноводные.

В конце палеозоя на Земле появились голосеменные растения. Их господство начинается с конца перми (около 220 млн. л.н.) и продолжалось в течение почти всего мезозоя. В мезозойскую эру появляются рептилии, млекопитающие, птицы.

В конце мезозойской эры (нижний мел, ~120 млн. л.н.) появляются покрытосеменные растения, которые в течение всего кайнозоя вплоть до нашего времени занимают господствующее положение. В кайнозое произошел расцвет млекопитающих и птиц.

Примерно 2 млн. л.н. (начало четвертичного периода кайнозойской эры) состав флоры и фауны приближается к современному.

Сейчас в мире существует около 2 млн. видов организмов и около 500 млн. видов вымерло в предшествующие геологические эпохи.

По мнению ученых, суммарное число видов на Земле (с учетом еще не открытых) достигает 5-35 млн., а по некоторым прогнозам даже 50 или 100 млн.

Все множество живых организмов распределяется, или классифицируется по определенной системе иерархически соподчиненных групп - таксономических категорий. Самой высокой таксономической категорией, которую выделяют многие современные ученые, является империя. В настоящее время выделяют две империи - неклеточные организмы и клеточные организмы. Неклеточные формы жизни обладают одним общим свойством - находясь вне клетки, они не могут размножаться и у них не происходит обмен веществ. Они являются внутриклеточными паразитами на генетическом уровне. Это вирусы, которые составляют одноименное царство. Они распространены в природе повсеместно и поражают все группы живых организмов.

Среди клеточных организмов выделяют два надцарства - Прокариоты и Эукариоты.

Прокариоты - это самые древние организмы, которые возникли на Земле примерно 3,6-3,8 млрд. лет назад. Это организмы, не имеющие морфологически оформленного ядра (доядерные) и типичного хромосомного аппарата. К прокариотам относится одно царство - Бактерии (Monera). Некоторые ученые среди прокариот выделяют два царства - Архебактерии (Archaebacteria) и Настоящие бактерии (Eubacteria).

Эукариоты (настоящие ядерные организмы) - имеют морфологически оформленное ядро. Они возникли на Земле около 1,8 млрд. лет назад.

В соответствии с системой Роберта Уиттекера (1969 г.) к эукариотам относятся 4 царства: протисты, животные, грибы, растения (рис. 1).

Протисты (Protista) - это гетерогенная группа эукариотических одноклеточных, колониальных или многоклеточных организмов, которые в своем строении не имеют высокоорганизованных тканей. К ним относятся простейшие, водоросли, слизевики и низшие классы грибов. К царству Растения (Plantae) относятся фотосинтезирующие автотрофные многоклеточные организмы с тканевым строением. Грибы (Fungi) - это гетеротрофные (осмотрофные), как правило, многоклеточные организмы мицелиального строения. Царство Животные (Animalia) составляют многоклеточные гетеротрофные (голозойные) организмы с тканевым строением.

биология живой организм прокариот

Размещено на Allbest.ru