Биологический уровень организации материи

Биология

Биоэтика

Генетика

Клетка

Биология — это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

Современная биологическая наука — результат длительного процесса развития. Интерес к познанию живого у человека возник очень давно, он был связан с его потребностями — в пище, лекарствах, одежде, жилье и т.д.

Но только в нервных древних цивилизованных обществах люди стали изучать живые организмы более тщательно. Одним из первых биологов древности был Аристотель.

В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе.

Структуру биологии можно рассматривать с разных точек зрения.

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.

По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются:

• анатомия, изучающая макроскопическое строение животных;

• гистология, изучающая строение тканей;

• цитология, исследующая строение живых клеток.

В развитии биологии выделяют три основных этапа:

1) систематики (К. Линней);

2) эволюционный (Ч. Дарвин);

3) биологии микромира (Г. Мендель).

Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления.

Теории, касающиеся возникновения Земли, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не достоверны. Согласно теории стационарного состояния, Вселенная существовала извечно. Согласно другим гипотезам, Вселенная возникла из сгустка нейтронов в результате Большого взрыва, родилась в одной из черных дыр или же была создана Творцом. Вопреки бытующим представлениям, наука не в состоянии опровергнуть идею о божественном сотворении первозданной Вселенной, так же как теологические взгляды не обязательно отвергают возможность того, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы.

Наиболее распространенными теориями возникновения жизни на Земле являются следующие:

• жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм);

• жизнь возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение);

• жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

• жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

• жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).

Дать точное определение живого весьма не просто. И это люди поняли очень давно.

Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.

К числу свойств живого относят следующие признаки:

• живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой;

• живые организмы получают энергию из окружающей среды, большинство из них использует солнечную энергию;

• живые организмы активно реагируют на окружающую среду, способность реагировать на внешние раздражения — универсальное свойство живого;

• живые организмы не только изменяются, но и усложняются;

• все живое размножается;

• сходство потомства с родителями обусловлено генетически, вместе с тем существуют механизмы изменчивости, это определяет эволюцию всех видов живой природы;

• живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни.

Из совокупности этих признаков следует определение сущности живого: жизнь есть форма существования сложных открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты (рис. 10.1).

Главный критерий жизни — способность живых организмов сохранять и передавать информацию.

На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространенным является выделение на основе критерия масштабности.

1. Биосферный критерий включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

2. Уровень биогеоценозов выражает следующую степень структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых организмов (экосистему).

3. Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.

4. Организменный и органо-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, поведение, физиологию, а также строение и функции органов и тканей.

5. Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

6. Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.

Разделение живой материи на уровни является весьма условным.

Фундаментальная частица в биологии — живая клетка. Именно она является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации.

Создание клеточной теории, основы которой были положены немецкими учеными Т. Шванном и М.Я. Шлейденом, стало одним из крупнейших достижений биологии XIX в.

Размеры клеток колеблются от одной тысячной сантиметра до 10 см, что, правда, встречается редко.

Цитология (от греч. «цитос» — клетка, «логос» — наука) — наука о клетках. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособление клеток к условиям окружающей среды.

Современная цитология — наука комплексная. Она имеет самые тесные связи с другими биологическими науками, например, с ботаникой, зоологией, физиологией, учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной биологией, химией, физикой, математикой.

Цитология — одна из молодых биологических наук, ее возраст около 100 лет. Возраст же термина «клетка» насчитывает около 300 лет.

Исследуя клетку как важнейшую единицу живого, цитология занимает центральное положение в ряду биологических дисциплин.

Название «клетка» предложил англичанин Р. Гук еще в 1665 г., но только в XIX веке началось ее систематическое изучение (рис. 10.2). Несмотря на то, что клетки могут входить в состав различных организмов и органов (бактерий, икринок, эритроцитов, нервов и т.д.) и даже существовать как самостоятельные (простейшие) организмы, в их строении и функциях обнаружено много общего. Хотя отдельная клетка представляет собой наиболее простую форму жизни, строение ее достаточно сложно.

Клетки находятся в межклеточном веществе, обеспечивающем их механическую прочность, питание и дыхание. Основные части любой клетки — цитоплазма и ядро.

Клетка покрыта мембраной, состоящей из нескольких слоев молекул, обеспечивающей избирательную проницаемость веществ. В цитоплазме расположены мельчайшие структуры — органоиды. К органоидам клетки относятся: эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, лизосомы, комплекс Гольджи, клеточный центр (рис. 10.3).

Клетки образуют ткани (нервная, мышечная и т.д.), а несколько типов тканей — органы (сердце, легкие и пр.) Группы органов, связанные с решением каких–то общих задач, называют системами органов.

Клетка обладает различными функциями: деление клетки, обмен веществ и раздражимость.

Обмен веществ — важнейшее свойство всего живого. Это свойство называют метаболизмом клеток.

Каждая живая клетка — это сложная высокоупорядоченная система. Как показала эксперименты, содержимое клетки находится в состоянии непрерывной активности:

В различные вещества все время входят в клетку и выходят из нее наружу. Все реакции, протекающие в клетке можно разделить на две

Анаболические реакции — это реакции синтеза крупных молекул из более мелких и простых: для этих процессов необходима затрата энергии.

Катаболические реакции — реакции распада крупных молекул на более мелкие и простые, обычно с выделением энергии.

Иногда образовавшиеся более простые молекулы могут вновь использоваться для биосинтеза. Совокупность катаболических и анаболических реакций, протекающих в клетке в любой данный момент, составляют ее метаболизм.

К миру живого относят также вирусы, которые не имеют клеточной структуры. Кроме того, существуют некоторые организмы с клеточным строением, клетки которых не имеют ядра. Это прокариоты (рис. 10.4).

На протяжении тысячелетий господствовало элементарное объяснение, которое состояло в том, что будто бы все виды организмов были созданы однажды в их нынешних формах и больше никогда не изменялись. Эта концепция получила название креационизма.

Используя рациональные методы, ряд ученых (Ж.Л. Бюффон, во Франции, Э. Дарвин (дед Ч. Дарвина) в Англии, И.В. Гете в Германии, М.В. Ломоносов в России) пришли к выводу, что организмы, населяющие Землю, не неизменны, а претерпевают эволюцию.

Интенсивное проникновение эволюционной парадигмы в биологию началось в конце XVIII в. благодаря работам выдающегося французского биолога Ж.Б. Ламарка. Он объяснил изменчивость видов влиянием внешней среды (питание, климат) и наследственности.

Проблемы, поставленные Ламарком, были успешно решены Дарвином. Он разработал теорию эволюции.

С точки зрения теории эволюции, все многообразие живой природы является результатом действия наследственности, изменчивости, и естественного отбора.

Эволюция есть направленный процесс исторического изменения живых организмов.

Присматриваясь к окружающему нас миру, мы отмечаем великое разнообразие живых существ — от растений до животных. Под этим кажущимся разнообразием в действительности скрывается удивительное единство живых клеток — элементов, из которых собран любой организм и взаимодействием которых определяется его гармоничное существование. С позиции вида сходство между отдельными особями велико, и все-таки не существует двух абсолютно идентичных организмов (не считая однояйцовых близнецов). В конце XIX в. в работах Грегора Менделя были сформулированы основные законы, определившие наследственную передачу признаков из поколения в поколение. В начале ХХ в. в опытах Т. Моргана было показано, что элементарные наследуемые признаки обусловлены материальными единицами (генами), локализованными в хромосомах, где они располагаются последовательно друг за другом.

Генетика — это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.

Рассмотрим основные направления исследований ученых-генетиков.

1. Изучение молекул нуклеиновых кислот, являющихся хранителями генетической информации каждого вида живого, единицами наследственности.

2. Исследование механизмов и закономерностей передачи генетической информации.

3. Изучение механизмов реализации генетической информации в конкретные признаки и свойства живого.

4. Выяснение причин и механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.

Наследуемые признаки заложены в материальных единицах, генах, которые располагаются в хромосомах клеточного ядра. Химическая природа генов известна с 1944 г.: речь идет о дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Физическая структура была выяснена в 1953 г. Двойная спираль этой макромолекулы объясняет механизм наследственной передачи признаков.

Благодаря трудам Ниренберга (США), был открыт закон соответствия между ДНК и белками — генетический код.

Материальный носитель генетической информации — это нуклеиновые кислоты (ДНК и, как стало ясно позже, РНК). Определен также промежуточный получатель генетической информации — белки.

В 80-х гг. XIX в. в ядрах эукариотических клеток были открыты нитевидные структуры (В. Флемминг, Э. Страсбургер, Э. Ван Бенеден), названные В. Вальдейером (1888 г.) хромосомами (от греч. chroma — цвет, окраска, soma — тело). Этим термином было подчеркнуто сильное сходство хромосом по сравнению с другими клеточными органеллами к основным красителям. В течение последующих 10—15 лет большинством биологов было подтверждено, что именно хромосомы служат материальным носителем наследственности. Основной химический компонент хромосом — молекулы ДНК.

Изучение генетики человека, несмотря на всю сложность, важно не только с точки зрения науки. Трудно переоценить и прикладное значение проводимых исследований.

Закономерности генетики в большинстве случаев носят универсальный характер. Они одинаково важны для растений, для животных. Велико их значение и для человека.

Достижения в этой области оказывают заметное влияние на другие отрасли наук о человеке — медицину, психиатрию, психологию, педагогику.

Глубокое проникновение биологии в различные сферы общественной жизни людей потребовало и новых форм контроля со стороны общества за использованием научных достижений.

Именно спецификой морали, по-видимому, и объясняется появление в последние годы еще одной новой сферы профессиональной этики — биологической.

Под биологической этикой понимается применение понятий и норм общечеловеческой морали, в которых осмысливаются проблемы добра и зла, совести, долга, чести и т.д., к сфере экспериментальной и теоретической деятельности в биологии, а также в ходе практического применения ее результатов.

В ходе решения различных биоэтических проблем утверждаются основные принципы биоэтики, некоторые из них широко признаны уже сегодня.

1. Принцип единства жизни и этики, их глубокое соответствие и взаимообусловленность.

2. Признание жизни в качестве высшей категории среди всех этических ценностей.

3. Принцип гармонизации системы «человек — биосфера.