Биологическая картина мира 1 2 3 4 5

Биологическая картина мира 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Система биологического знания Сущность живого Клеточный уровень исследования живых систем Молекулярно-генетический уровень живых структур Уровни организации живых систем Предшественники эволюционного учения в биологии Чарльз Дарвин – основоположник теории эволюции Синтетическая теория эволюции

Сущность биологии как науки n n Биология — это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе.

Структура биологии По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию. По свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются: морфология — наука о строении живых организмов; физиология — наука о функционировании организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.

Структура биологии По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия, изучающая макроскопическое строение животных; гистология, изучающая строение тканей; цитология, исследующая строение живых клеток.

Многообразие живой материи К настоящему времени биологами обнаружено и описано: n животных – более 1 млн. видов, n растений – около полумиллиона, n грибов – несколько сот тысяч видов, n бактерий – более 3 тыс. видов. Число неописанных видов оценивается по меньшей мере в 1 млн.

Исторические этапы биологии n Современная биологическая наука — результат длительного процесса развития. Интерес к познанию живого был связан с важнейшими потребностями человека — в пище, лекарствах, одежде, жилье и т. д. Олени. Пещерная живопись. Палеолит. Пещера Ласко. Франция. Зубр. Пещерная живопись. Палеолит. Пещера Альтамира. Испания.

Исторические этапы биологии n n n Одним из первых биологов древности был Аристотель: впервые подробно описал многие виды животных; высказал мысль о том, что существующие растения и животные есть результат развития природы от простых форм к более сложным и совершенным.

Исторические этапы биологии В развитии биологии выделяют три основных этапа: n 1) систематики (К. Линней, 1707 1778) n 2) эволюционный (Ч. Дарвин, 1809 – 1882) n 3) биологии микромира (Г. Мендель). Каждый из этапов связан с изменением представлений о мире живого, основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм.

Этап систематики (эмпирическая биология) Первоначально биология развивалась как описательная наука о многообразных формах и видах растительного и животного царства. Важнейшее место в ней заняли методы: n описания, n анализа, n систематизации и классификации огромного эмпирического материала, накопленного натуралистами. n

Этап систематики (эмпирическая биология) Первые классификации носили в значительной мере искусственный характер, поскольку не учитывали происхождения и развития живых организмов. Наиболее известны: n система растений Карла Линнея (1707 – 1778), n классификация животных Жоржа Бюффона (1707 – 1788) n

Карл Линней n n n К. Линней искусственной классификацией подытожил длительный исторический период эмпирического накопления биологических знаний Описал свыше 10 тыс. видов растений и свыше 4 тыс. видов животных. «Искусственная система, — писал он, служит только до тех пор, пока не найдена естественная. Первая учит только распознавать растения. Вторая научит нас познать природу самого растения» . «Естественный метод есть последняя цель ботаники» отмечал Линней. Его особенность в том, что он «включает все возможные признаки. Он приходит на помощь всякой системе, закладывает основание для новых систем. Неизменный сам по себе, он стоит непоколебимо, хотя открываются все новые и новые бесконечные роды. Благодаря открытию новых видов, он лишь совершенствуется путем устранения излишних примет» .

Карл Линней Фрагмент классификации растений по форме пестиков и тычинок, предложенной Карлом Линнеем.

Роль описательной (эмпирической) биологии n n во-первых, она позволила перейти на новый уровень познания, когда объектами изучения биологов стали живые структуры сначала на клеточном, а затем и на молекулярном уровне; во-вторых, обобщение и систематизация знаний об отдельных видах и родах растений и животных требовали перехода к классификациям естественным, на основе принципа происхождения новых видов; такие попытки предпринимались Жан-Батистом Ламарком (1744 - 1829) и Этьеном Жоффруа Сент-Илером (1772 – 1844), они послужили важной вехой на пути создания Чарльзом Дарвином (1809 – 1882) первой научной теории эволюции новых видов растений и животных;

Роль описательной (эмпирической) биологии n n именно описательная, или эмпирическая, биология послужила тем фундаментом, на основе которого сформировался целостный взгляд на многообразный, но в то же время единый мир живых существ; можно даже сказать, что первые представления о системах и уровнях их организации были заимствованы из опыта изучения живой природы.

Сущность живого n Д. Дидро (1713— 1784): «Я могу понять, что такое агрегат, ткань, состоящая из крохотных чувствительных телец, но живой организм!. . Но целое, система, представляющая собой единый организм, индивидуум, сознающий себя как единое целое, выше моего понимания! Не понимаю, не могу понять, что это такое!»

Сущность живого Определение жизни, данное немецким философом Ф. Энгельсом (1820 1895): n Жизнь есть способ существования белковых тел, основным моментом которого является наличие постоянного обмена веществ с окружающей их внешней средой. n Однако состоять из белков и обмениваться веществами с окружающей средой могут также и неживые объекты.

Сущность живого Живая мышь и горящая восковая свеча: n имеют в своем составе белки и n находятся в одинаковом состоянии обмена веществ, n равно потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Однако: n в одном случае процесс обмена веществ происходит в результате присущего живым организмам процесса дыхания, n в другом случае — в результате процесса горения.

Необходимые и существенные свойства живого n n Живые организмы высокоорганизованные структуры. Уровень их организации значительно выше, чем тот, который достигнут неживыми системами. Живые системы могут существовать только как неравновесные и незамкнутые, т. е. открытые, черпая из неживой окружающей среды вещества и энергию. Основную роль в осуществлении обмена веществ, или метаболизма, в живых организмах играют белковые соединения.

Необходимые и существенные свойства живого n n Живые организмы в отличие от неживых в процессе своего развития быстро усложняются. Эта способность проявляется не только на уровне развития всего мира живого и составляющих его групп, т. е. в филогенезе, но и в процессе индивидуального развития отдельного организма, т. е. в процессе онтогенеза. Уникальный признак живого его способность к самовоспроизведению, размножению. На химическом уровне этот признак связан со свойствами самовоспроизведения, копирования, которыми обладают нуклеиновые кислоты.

Необходимые и существенные свойства живого n n n Именно нуклеиновые кислоты обеспечивают способность живых организмов передавать потомкам информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Данную информацию несут гены — мельчайшие единицы наследственности, локализованные во внутриклеточных структурах. Однако в процессе передачи потомству содержание наследственной информации не остается неизменным: подвергаясь различного рода случайным воздействиям, оно изменяется, перестраивается, искажается, мутирует. Мутации являются источником индивидуальной изменчивости (потомки оказываются не только похожими на родителей, но и отличаются от них), чем и обеспечивается развитие видов.

Обобщенные признаки живого n n n 1) наличие метаболизма, или обмена веществ; 2) способность к передаче наследственной информации и самовоспроизведению; 3) изменчивость под воздействием мутаций, или мутабельность.

Сущность жизни n n n Жизнь есть форма существования высокоорганизованных неравновесных открытых систем, в структуре которых решающую роль играют белки и нуклеиновые кислоты; эти системы способны к обмену веществ, самовоспроизведению путем передачи наследственной информации и изменчивости на основе мутаций. Приведенное понимание жизни в настоящее время является общепринятым среди биологов.

Теории возникновения жизни n n n 1) жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм); 2) жизнь возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение); 3) жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния); 4) жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия); 5) жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).

Креационизм n n n Ты об этом пожалеешь! n В 1650 году архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил: Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, от Адама до Христа ("кто кого родил"). Получается: Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение n Аристотель: Таковы факты — живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений.

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение n n n Ван Гельмонт (1577 1644 гг. ) описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши ван Гельмонт считал человеческий пот.

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение n n n В 1688 г. итальянский биолог и врач Франческа Реди, подверг сомнению теорию спон танного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, — это личинки мух. Принцип Реди: жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение n n В 1765 г. Ладзаро Спалланцани провел следующий опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколько дней, Спалланцани не обнаружил в них никаких признаков жизни. Вывод: высокая температура уничтожила все формы живых существ и что без них ничто живое уже не могло возникнуть.

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение n n n В 1860 г. проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер. Он показал: бактерии вездесущи, неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. В результате ряда экспериментов, в основе которых лежали методы Спалланцани, доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение n n Проблема: Коль скоро для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм? Только теория стационарного состояния не требует ответа на этот вопрос, а во всех других теориях подразумевается, что на какой то стадии истории жизни произошел переход от неживого к живому. Было ли это первичным самозарождением?

Теория стационарного состояния n n Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь. Виды также никогда не возникали, они существовали всегда. У каждого вида лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание. Используя палеонтологические данные, сторонники теории интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте: внезапное появление какого либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.

Теория панспермии n n n Эта теория выдвигает идею о внезапном происхождении жизни. Она переносит проблему возникновения жизни в какое то другое место Вселенной. Утверждает: жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях Галактики или Вселенной. В составе метеоритов и комет обнаружены многие "предшественники живого" — такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль "семян", падавших на голую землю. Есть сообщения о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными.

Биохимическая эволюция n n А. И. Опарин предположил (1923 г. ), что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас. Органически вещества могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза доставляла интенсивная солнечная радиация, падавшая на Землю до того, как образовался слой озона. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океане простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот "первичный бульон", в котором могла возникнуть жизнь.

Биохимическая эволюция n n В 1953 г. Стэнли Миллер (1930 – 2007) и Гарольд Юри (1893 – 1981) в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке, снабженной источником энергии, ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. Эксперимент Миллера — Юри считается одним из важнейших опытов в исследовании происхождения жизни на Земле. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот. Однако, более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот.

Биохимическая эволюция n Схема установки, использовавшейся в эксперименте Миллера — Юри

Биохимическая эволюция

Теории происхождения жизни

Структурные уровни живого n n n 1. Биосферный уровень включает всю совокупность живых организмов Земли, существующих в тесной взаимосвязи с окружающей природной средой. Исследуя биосферный уровень организации живого, ученые выяснили, что в последнее время концентрация углекислого газа в атмосфере планеты стала неуклонно возрастать. В связи с этим возникла опасность глобального повышения температуры, обусловленного «парниковым эффектом» , и увеличения в ряде районов земного шара количества осадков до масштабов Всемирного потопа.

Структурные уровни живого n 2. Биогеоценотический уровень: биогеоценозы – участки Земли с определенным составом тесно взаимосвязанных живых и неживых компонентов, представляющих собой единый природный комплекс, или экосистему.

Структурные уровни живого n n n 3. Популяционно-видовой уровень образуют свободно скрещивающиеся между собой особи одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. Популяционно-видовой уровень также важен с точки зрения исследования путей исторического развития живого, его эволюции.

Структурные уровни живого n 4. Организменный и органно-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.

Структурные уровни живого n 5. На клеточном и субклеточном уровнях исследуются процессы функционирования и специализации клеток, а также различные клеточные органеллы.

Структурные уровни живого n 6. Молекулярный уровень — объект исследований молекулярной биологии, одна из важнейших задач которой состоит в изучении механизмов биосинтеза, передачи наследственной информации и развитии генной инженерии и биотехнологии.

Клетка как «первокирпичик» живого, ее строение и функционирование n Создание клеточной теории, основы которой были впервые изложены в 1838 г. немецкими учеными М. Шлейденом (1804 – 1881) и Т. Шванном (1810 – 1882), стало одним из крупнейших достижений биологической науки XIX в.

Клетка как «первокирпичик» живого Основное положение клеточной теории: все живые организмы от амебы до человека состоят из клеток, сходных по своему строению. Данное положение стало еще одним свидетельством единства происхождения и развития всех видов живого.

Идеи цитологии n n n Все клетки имеют некоторые общие свойства и сходство в строении и выполняемых функциях. Все они осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции и передаче наследственной информации. Часть клеток высоко специализированы. Клетки весьма многообразны. Могут существовать: как одноклеточные организмы, в составе многоклеточных организмов, где их число может достигать нескольких миллиардов.

Свойства клетки Обмен веществ, или метаболизм, клеток — важнейшее свойство всего живого. n Обмен веществ — сложный, многоступенчатый процесс. Он включает: n доставку в клетку исходных продуктов, n получение из них энергии и белков, n выведение из клетки в окружающую среду выработанных полезных продуктов, энергии и «вредных отходов производства» . n

Свойства клетки n n Другое важнейшее свойство клетки — поддержание стабильности, устойчивости ее внутренней среды. Это свойство клетки, также присущее каждой живой системе, называют гомеостазом.

Вирусы n n n Особое место в мире живого занимают вирусы. Их иногда называют бесклеточными организмами, поскольку они не имеют четко выраженной клеточной структуры. Существуют, проникая в другие клетки и паразитируя в них.

Вирусы n Примеры структур икосаэдрических вирионов. А. Вирус, не имеющий липидной оболочки. B. Оболочечный вирус. Цифрами обозначены: (1) капсид, (2) геномная нуклеиновая кислота, (3) капсомер, (4) нуклеокапсид, (5) вирион, (6) липидная оболочка, (7) мембранные белки оболочки.

Бактериофаг кишечной палочки

Прокариоты и эукариоты n n n Некоторые организмы с клеточным строением не имеют типичной для большинства клеток структуры, например прокариоты, не имеющие оформленного ядра. Исторически они являются предшественниками вполне развитых клеток, имеющих ядро, или эукариотов. К группе прокариотов относят: бактерии, сине зеленые водоросли и др. Не имея оформленного ядра, эти организмы обладают нитями молекул нуклеиновых кислот; однако расположены они не в ядре, а во внутриклеточной жидкости — цитоплазме. Несмотря на относительную простоту организации, безъядерные клетки способны выполнять все свойственные типичным клеткам функции, включая обмен веществ, поддержание гомеостаза и т. п.