Биология – совокупность или система наук о живых системах . Понятие «живые системы» здесь важно подчеркнуть, поскольку жизнь не существует сама по себе, а является свойством определенных систем.
Предмет изучения биологии – все проявления жизни, а именно:
· строение и функции живых существ и их природных сообществ;
· распространение, происхождение и развитие новых существ и их сообществ;
· связи живых существ и их сообществ друг с другом и с неживой природой.
Задачи биологии состоят в изучении всех биологических закономерностей и раскрытии сущности жизни. При этом в биологии используется ряд методов, характерных для естественных наук. К основным методам биологии относятся:
· наблюдение , позволяющее описать биологическое явление;
· сравнение , дающее возможность найти закономерности, общие для разных явлений;
· эксперимент , в ходе которого исследователь искусственно создает ситуацию позволяющую выявить глубоко лежащие (скрытые) свойства биологических объектов;
· исторический метод , позволяющий на основе данных о современном мире живого и о его прошлом, раскрывать законы развития живой природы.
Выше было сказано, что биология является системой наук, которые могут быть классифицированы различным образом.
1. По предмету изучения : ботаника, зоология, микробиология и т.д.
2. По общим свойствам живых организмов :
Генетика (закономерности наследственности)
Биохимия (превращения вещества и энергии)
Экология (взаимоотношения живых существ и их природных сообществ с окружающей средой) и т.п.
3. По уровню организации живой материи, на котором рассматриваются живые системы:
Молекулярная биология;
Цитология;
Гистология и т.п.
Приведенные классификации, разумеется, не носят абсолютного характера. Так, например, исследование клетки (цитология) в настоящее время немыслимо без изучения биохимии клетки.
Можно также говорить о трех магистральных направлениях биологии или, по образному выражению трех образах биологии:
1. Традиционная или натуралистическая биология. Ее объектом изучения является живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности – «Храм природы», как называл ее Эразма Дарвина. Истоки традиционной биологии восходят к средним векам, хотя вполне естественно здесь вспомнить и работы Аристотеля, который рассматривал вопросы биологии, биологического прогресса, пытался систематизировать живые организма («лестница Природы»). Оформление биологии в самостоятельную науку – натуралистическую биологию приходится на 18-19 века. Первый этап натуралистической биологии ознаменовался созданием классификаций животных и растений. К ним относятся известная классификация К. Линнея (1707 – 1778), являющаяся традиционной систематизацией растительного мира, а также классификация Ж.-Б. Ламарка, применившего эволюционный подход к классифицированию растений и животных. Традиционная биология не утратила своего значения и в настоящее время. В качестве доказательства приводят положение экологии среди биологических наук а также во всем естествознании. Ее позиции и авторитет в настоящее время чрезвычайно высоки, а она в первую очередь основывается в принципах традиционной биологии , поскольку исследует взаимоотношений организмов между собой (биотические факторы ) и со средой обитания (абиотические факторы ).
2. Функционально-химическая биология , отражающая сближение биологии с точными физико-химическими науками. Особенность физико-химической биологии – широкое использование экспериментальных методов, которые позволяют исследовать живую материю на субмикроскопическом, надмолекулярном и молекулярном уровнях. Одним из важнейших разделов физико-химической биологии является молекулярная биология – наука изучающая структуру макромолекул, лежащих в основе живого вещества. Биологию нередко называют одной из лидирующих наук 21-го века.
К важнейшим экспериментальным методам, использующимся в физико-химической биологии, относятся метод меченых (радиоактивных) атомов, метолы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, методы фракционирования (например, разделение различных аминокислот), использование ЭВМ и др.
3. Эволюционная биология. Это направление биологии изучает закономерности исторического развития организмов. В настоящее время концепция эволюционизма стала, фактически, платформой, на которой происходит синтез разнородного и специализированного знания. В основе современной эволюционной биологии лежит теория Дарвина. Интересно и то, что Дарвину в свое время удалось выявить такие факты и закономерности, которые имеют универсальное значение, т.е. теория созданная им, приложима к объяснению явлений, происходящих не только в живой, но и неживой природе. В настоящее время эволюционный подход взят на вооружение всем естествознанием. Вместе с тем, эволюционная биология – самостоятельная область знания, с собственными проблемами, методами исследования и перспективой развития.
В настоящее время предпринимаются попытки синтеза этих трех направлений («образов») биологии и оформления самостоятельной дисциплины – теоретической биологии.
4. Теоретическая биология. Целью теоретической биологии является познание самых фундаментальных и общих принципов, законов и свойств, лежащих в основе живой материи. Здесь разные исследования выдвигают различные мнения по вопросу о том, что должно стать фундаментом теоретической биологии. Рассмотрим некоторые из них:
Аксиомы биологии. Б.М. Медников – видный теоретик и экспериментатор, вывел 4 аксиомы, характеризующие жизнь и отличающие её от «нежизни».
Табл. 1. Аксиомы биологии
Э.С.Бауэр (1935г.) выдвинул в качестве основной характеристики жизни принцип устойчивой неравновесности живых систем.
Л. Берталанфи (1932г.) рассматривал биологические объекты как открытые системы, находящиеся в состоянии динамического равновесия.
Э. Щредингер (1945г.), Б.П. Астауров представляли создание теоретической биологии по образу теоретической физики.
С. Лем (1968г.) выдвинул кибернетическую интерпретацию жизни.
5. А..А. Малиновский (1960г.) предлагал в качестве основы теоретической биологии математические и системные методы.
Таким образом, задача построения теоретической биологии отличается чрезвычайной сложностью, комплексностью и многоплановостью. Создание такой теории – одна из важнейших задач современной науки. Вместе с тем ряд авторов подчеркивает, что основой теоретической биологии в любом случае служит развитие эволюционного подхода, и, таким образом, теоретическая биология может рассматриваться как дальнейшее развитие эволюционной биологии.
2) Существует несколько концепций происхождения жизни:
А - концепция самопроизвольного зарождения жизни на Земле.
Б - панспермия (от греч. pan - все, sperma - семя) - жизнь занесена на нашу планету из глубокого космоса.
В - концепция стационарного состояния (жизнь всегда существовала на
Г - концепция биохимической эволюции (жизнь на Земле возникла в результате сложных процессов, подчиняющихся универсальным физическим и химическим законам, господствующим в природе).
Д - креационизм (жизнь была создана Богом в определенное время, и ее эволюция определяется Божественным всеобщим законом).
Ε - концепция «2К» (кооперация и коммуникация) - эта концепция была разработана в 1900 г. русским ученым-философом П.А.Кропоткиным (1842-
1921). В ней идет речь в основном о механизме биологической эволюции.
А. Концепция самопроизвольного зарождения жизни на Земле. Эта концепция оказала большое влияние на развитие биологических представлений о жизни. В основе ее лежит гипотеза, получившая название абиогенеза, в которой утверждается возможность возникновения жизни из неживого вещества. Противоположной абиогенезу является гипотеза биогенеза, категорически
отрицающая возможность возникновения живого из неживого. Основной тезис
этой гипотезы: живое только от живого. Гипотеза абиогенеза в форме учений была сформулирована в древнем Китае, Вавилоне, Египте и в Древней Греции. Однако именно с именем Аристотеля связывают обычно появление этой концепции. Согласно Аристотелю существует некое активное начало (энтелехия), которое присутствует в зародыше животных, семян растений, в солнечном свете и даже в безжизненных телах. Наличие этого активного начала мира объясняет возможность самозарождения жизни, по Аристотелю: «Таковы факты - живое может возникнуть в результате не
только спаривания животных, но и разложения почвы. Так обстоит дело и у
растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы зарождаются под действием сил природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений»1.
В эпоху Средневековья Фома Аквинский (1225-1274) был сторонником этого учения Аристотеля. Он считал, что самозарождение осуществляется ангелами, использующими для этого солнечные лучи, созданные Богом Солнца. Гипотеза самозарождения жизни интересовала исследователей эпохи Возрождения и Нового времени. Ряд из них пытался экспериментально доказать справедливость возможности возникновения живого из неживого. Среди подобных попыток особое место занимает опыт голландского ученого Ван Гельмонта (1577-1644). Он описал эксперимент, в котором за три недели якобы создал мышей. Собственную грязную рубашку он положил в темный, плотно закрывающийся шкаф с горстью пшеницы. Через три недели, открыв его, он обнаружил мышей. Следуя Аристотелю, он полагал, что пот его тела на рубашке был «активным началом» для самопроизвольного зарождения мышей. «Опыт» В. Гельмонта положил начало строгому осмыслению понятия эксперимента в науке. Многие сторонники Аристотеля часто приводили сомнительные описания происхождения, например, жаб из утиных трупов или из капель жидкости и т. п. Например, неаполитанский ученый-любитель Джанбатиста делло Горсто опубликовал в 1558 г. книгу под названием «Магия природы», в которой
приводится описание местности, где из трупов уток образуются жабы.
В английском переводе книга вышла в Лондоне в 1568 г. и запомнилась читателям стихотворной фразой утки: «Когда меня гноят в земле, я жаб произвожу на свет». В 1688 г. итальянский врач, исследователь Ф. Реди (1626-
1697) опубликовал книгу под названием «Опыты по самозарождению насекомых». Он привел строгое описание эксперимента по образованию червей в гниющем мясе трупов трех змей. Его вывод гласил: все черви, обнаруженные в мясе, произошли из отложений, сделанных мухами, а не из гниения мяса. Книга
Ф. Реди многократно переиздавалась, расширяя круг сторонников биогенеза и критиков концепции самозарождения Аристотеля. Книга Ф. Реди указывала на
1 Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. М.: Мир, 1993. Т. 3. С. 256.
существенные трудности гипотезы абиогенеза в ее классической форме,
которую представляла концепция Аристотеля. Однако открытие голландским ученым-самоучкой Антони ван Левенгуком (1632-1723) микроорганизмов снова возродило интерес к гипотезе абиогенеза, выраженной в ее классической форме в концепции Аристотеля, но уже в XVIII в.
Английский священник Дж. Нидхем (1713-1781) приводил аргументы в пользу гипотезы абиогенеза: микроорганизмы возникают из небиологического материала или тел. Он утверждал, что если баранью подливку и подобные ей настои сначала нагреть, а затем герметически закрыть в сосуде с небольшим количеством воздуха, то нагревание должно убить все микроорганизмы в этом материале. Но в этом же материале снова рождались микроорганизмы, о чем свидетельствовали наблюдения после герметизации сосуда.
Итальянский аббат исследователь Ладзаро Спалланцани (1729-1799) провел в
1765 г. эксперимент. Подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение
нескольких часов, он сразу же их герметично закрыл, после чего снял с огня.
Исследовав образовавшиеся жидкости, он не обнаружил в них микроорганизмов.
Из этого опыта он сделал вывод, что высокая температура уничтожает все живое
и что живое не может возникнуть из неживого.
На этот вывод Дж. Нидхем высказал возражение: чрезмерное нагревание внутри закрытого сосуда убивает очень важные для процесса самозарождения организмов элементы, без которых самозарождение вообще невозможно. Как оказалось в дальнейшем, в этом утверждении Дж. Нидхема содержится определенная доля истины: при сильном нагревании, в присутствии органического вещества, содержащийся в воздухе кислород исчезает, а он необходим для живых микроорганизмов. Спор между представителями абиогенеза и биогенеза разрешился к концу XIX в. в пользу гипотезы биогенеза.
В 1860 г. выдающийся французский микробиолог Луи Пастер (1822-1895) провел ряд точных экспериментов, в основе которых лежали методы Спалланцани. Он доказал, что, несмотря на вездесущность и способность бактерий всюду проникать, заражать живое, тем не менее живое зарождается только из живого. Опровержение гипотезы абиогенеза в ее классической форме, в виде концепции Аристотеля, поставило перед исследователями ряд вопросов:
1. Представители витализма (лат. vitalis - жизненный) расценили
опровержение концепции самопроизвольного зарождения жизни как неопровержимое доказательство того, что живое является проявлением «особой жизненной силы», которую невозможно понять с позиции естественных наук. Витализм появился впервые во Франции в работах Луи Дюма (1765-1813).
2. Если живое происходит только от живого, то откуда и как появился первый живой организм?
3. Если права гипотеза биогенеза, то между живым и неживым существует непреодолимая пропасть. Осмысление этих проблем привело, с одной стороны, к возникновению концепции панспермии, а с другой стороны, к созданию (в первых десятилетиях прошлого века) новой формы гипотезы абиогенеза, получившей название концепции «биохимической эволюции».
Б. Панспермия. Крушение концепции самопроизвольного происхождения жизни в ее классической форме оценивалось исследователями по-разному. Например, Ч. Дарвин в одном из своих писем в 1863 г. писал, что сущий вздор рассуждать сейчас о происхождении жизни. С тем же успехом можно было бы рассуждать о происхождении материи. Ч. Дарвин имел в виду уровень естественно-научных знаний того периода. Но иначе по этому поводу думали в конце XIX в. два выдающихся физика того времени: Г. Гельмгольц и У. Томсон (Кельвин). Г. Гельмгольц высказал мысль, что если все наши попытки получить живые организмы из неживой материи провалятся, то с научной точки зрения правомочно задать вопрос: возникала ли жизнь когда-нибудь вообще или ее зародыши переносятся из одного мира в другой и развиваются повсюду, где есть подходящие условия?
У. Томсон (Кельвин) также считал отнюдь не научной точкой зрения предположение, что в космосе движется бесчисленное множество метеоритных камней, несущих семена жизни, и что жизнь на Земле произошла благодаря таким обломкам более древних миров, которые попали на нашу планету. Создание концепции панспермии было осуществлено в 1908 г. шведским химиком С. Аррениусом (1859-1927). Он допустил, что споры бактерий и вирусов могут уноситься, в том числе и с нашей планеты, под действием электромагнитных сил
и перемещаться в космосе под давлением света звезд. В частности, согласно взглядам этого ученого споры могут оседать на частицы пыли и тем самым путешествовать в космосе. Созданную С. Аррениусом концепцию панспер-
мии называют классической формой изложения концепции панспермии.
В качестве новой формы этой концепции сегодня рассматривается гипотеза о существовании внеземных цивилизаций. Согласно этой концепции
направленной панспермии жизнь на Землю «доставлена» некоей более развитой
цивилизацией из другой галактики целенаправленным образом. В качестве доказательства этой гипотезы ее авторы ссылаются на неоднократные посещения
в прошлом и настоящем нашей планеты неопознанными летающими объектами (НЛО). Представители классической концепции панспермии основывают свои взгляды обычно на результатах исследования метеоритов. Например, при исследовании двух метеоритов - первый упал в 1950 г. возле местности Мози (штат Кентукки, США), второй - в местности Мергисон (штат Виктория, Австралия) в 1969 г. - были обнаружены отдельные аминокислоты и жирные кислоты (метеорит Мергисон). На основе исследований метеоритов ученые пытаются ответить на ряд вопросов: 1) как живое может образоваться в условиях глубокого космоса? 2) если спермы живого переносятся в космическом пространстве, то почему «земная жизнь» не освоила Солнечную систему? Например, на Луне должны быть представители живого, но они не обнаружены.
В. Концепция стационарного состояния. Согласно этой концепции Земля никогда не возникала и существует вечно и всегда способна поддержать жизнь. Если и происходили изменения Земли, то очень незначительные. В качестве главного аргумента сторонники этой концепции выдвигают существующие неопределенности в физических, химических, геологических теориях при определении возраста Земли и Вселенной в целом. Виды, согласно этой концепции, существовали всегда и для всех них есть только две возможности: выживать за счет численности либо вымирать. Сторонники этой концепции ставят под сомнение и результаты палеонтологических исследований об изменении живых организмов во времени. Например, по палеонтологическим данным, кистеперые рыбы вымерли 70 млн лет назад. Однако представители этого вида были обнаружены в районе Мадагаскара в наше время. Сравнение палеонтологических данных с существующими видами может иметь, по мнению сторонников этой концепции, лишь экологический смысл: перемещение вида, увеличение его численности или вымирание в неблагоприятных условиях. Существующие разрывы в палеонтологической летописи видов, на которые обратил внимание французский ученый Ж. Кювье (1769-1832), и объяснение их
возникновения периодически случающимися катастрофами на Земле
используются сторонниками этой концепции в качестве аргументов в пользу вечного, не возникающего и не исчезающего феномена жизни.
Г. Концепция биохимической эволюции. Концепция биохимической эволюции - это современное развитие гипотезы абиогенеза. В ней исследуется биохимический уровень эволюции живого на Земле:
1. Какие физические, химические и геологические условия могли способствовать возникновению органических соединений из неорганических в историческом прошлом Земли?
2. Как могло происходить образование жизненно важных полимеров из мономеров для живых организмов?
3. Какие полимеры возникли первыми: белки, не способные к самовоспроизведению, или нуклеиновые кислоты молекул ДНК и РНК?
4. Первыми возникли молекулы РНК или ДНК?
5. Какими могли быть первоначальные организмы с точки зрения механизма обмена веществ, строения и взаимодействия с другими организмами?
6. Как возникла клетка?
7. Каково биохимическое содержание главных факторов эволюции живого, естественного отбора и генетического механизма наследственности и изменчивости?
Основателями этой концепции являются два автора, которые независимо друг
от друга развили сходные идеи: академик А. Опарин (1894-1980) и англичанин Дж. Холдейн (1892-1964). В 1924 г. А. Опарин, а затем в 1929 г. Дж. Холдейн сформулировали концепцию, согласно которой живое вещество на Земле
возникло в результате химической эволюции неорганического вещества при
наличии соответствующих условий.
Эта концепция основывается на следующих положениях:
1. Отсутствие жизни на Земле до ее возникновения. Считается, что физические, геологические и химические условия, когда возникала жизнь, существенно отличались от условий, когда ее не было, поэтому она не может возникнуть сегодня таким же образом, как это произошло раньше.
2. Единство химической основы живого и неживого.
3. Уникальность физических условий. Определенная масса Земли (1/20 массы
Солнца), расстояние от Солнца и других планет и другие физические параметры,
которые позволяли удержать атмосферу.
4. Наличие в ранней атмосфере химических элементов в восстановительной форме, без существования кислорода в газообразном, химически несвязанном состоянии.
5. Образование воды на Земле, играющей огромную роль в жизни живого.
6. Целая совокупность физических, химических и геологических факторов
Биология - наука о жизни. Она изучает жизнь как особую форму движения материи, законы ее существования и развития.
Термин "биология ", предложенный в 1802 г. Ж.Б. Ламарком, происходит от двух греческих слов: bios - жизнь и logos - наука. Вместе с астрономией, физикой, химией, геологией и другими науками, изучающими природу, биология относится к числу естественных наук. В общей системе знаний об окружающем мире другую группу наук составляют социальные, или гуманитарные (лат. humanitas - человеческая природа), науки, изучающие закономерности развития человеческого общества. Современная биология представляет собой систему наук о живой природе. Общие закономерности развития живой природы, раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие, рассматривает общая биология. Соответственно объектам изучения - животным, растениям, вирусам - существуют специальные науки, изучающие каждую из названных групп организмов.
Предметом изучения биологии являются живые организмы; их строение, функции; их природные сообщества.
Методы Биологические науки представляют собой теоретическую основу медицины, агрономии, животноводства, а также всех тех отраслей производства, которые связаны с живыми организмами. Основными частными методами в биологии являются:
Описательный Для того, чтобы выяснить сущность явлений, необходимо прежде всего собрать фактический материал и описать его. Собирание и описание фактов были главным приемом исследования в ранний период развития биологии, который, однако, не утратил значения и в настоящее время. Сравнительный. Еще в XVIII в. получил распространение сравнительный метод, позволяющий путем сопоставления изучать сходство и различие организмов и их частей. На принципах этого метода была основана систематика и сделано одно из крупнейших обобщений - создана клеточная теория. Сравнительный метод перерос в исторический, но не потерял своего значения и сейчас. Исторический Исторический метод выясняет закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функций. Утверждением в биологии исторического метода наука обязана Ч. Дарвину.
Экспериментальный метод исследования явлений природы связан с активным воздействием на них путем постановки опытов (экспериментов) в точно учитываемых условиях и путем изменения течения процессов в нужном исследователю направлении. Этот метод позволяет изучать явления изолированно и добиваться повторяемости их при воспроизведении тех же условий. Эксперимент обеспечивает не только более глубокое, чем другие методы, проникновение в сущность явлений, но и непосредственное овладение ими. Высшей формой эксперимента является моделирование изучаемых процессов. Блестящий экспериментатор И.П. Павлов говорил: "Наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что он хочет". Комплексное использование различных методов позволяет наиболее полно познать явления и объекты природы. Биосоциальная природа человека. Человек - живой организм в этом отношении он является объектом биологических исследований. Но он, оставаясь биологическим объектом и высшим звеном эволюции органического мира, в то же время существо социальное. Поэтому, если у любых видов растений и животных эволюция осуществляется по биологическим законам, то прогресс человечества подчиняется социальным закономерностям. Биологическая индивидуальность людей передается из поколение в поколение по генетическим закономерностям, общим со всем органическим миром. Но вся социально-трудовая сущность человека передается посредством обучения, воспитывается в человеческом коллективе, а это оказывает влияние на реализацию генетически детерминированных особенностей каждого индивидуума, отражается на формировании его личности.
Определение жизни. Фундаментальные свойства живого. Эволюционно-обусловленные уровни организации живого. Современные теории и главные этапы возникновения и развития жизни на Земле.
Опираясь на современные достижения биологической науки, русский ученый М. В. Волькенштейн дал новое определение понятию жизнь: "Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот".
К числу фундаментальных свойств, совокупность которых характеризует жизнь, относятся: 1.самообновление , связанное с потоком вещества и энергии. 2.самовоспроизведение , обеспечивающее преемственность между сменяющими друг друга генерациями биологических систем, связанных с потоком информации.
3.саморегуляция , базирующаяся на потоке веществ, энергии и информации.
Перечисленные фундаментальные свойства обуславливают основные атрибуты жизни:
Обмен веществ у живых организмов. Всем живым организмам присущ обмен веществами и энергией с окружающей средой. Размножение – воспроизведение себе подобных – важнейшее условие продолжения жизни.
Наследственность – способность организмов передавать из поколения в поколение всю совокупность признаков, обеспечивающих приспособленность организмов к среде их обитания.
Изменчивость, под которой понимают их способность приобретать новые признаки и утрачивать прежние. Результатом оказывается разнообразие особей, принадлежащих к одному и тому же виду. Изменчивость может осуществляться как у отдельных особей во время их индивидуального развития, так и у группы организмов в ряду поколений при размножении.
Индивидуальное (онтогенез) и историческое (филогенез) развитие организмов. Любой организм в течение своей жизни (с момента его зарождения и до естественной смерти) претерпевает закономерные изменения, которые называются индивидуальным развитием. Происходит увеличение размеров и массы тела – рост, образование новых структур (иногда сопровождающееся разрушением ранее существующих – например, утрата хвоста головастиком и формирование парных конечностей), размножение и, наконец, завершение существования.
Эволюция организмов представляет собой необратимый процесс исторического развития живого, в ходе которого наблюдается последовательная смена видов как результат исчезновения ранее существующих и возникновения новых.
Неотъемлемое свойство живых существ – раздражимость (способность воспринимать внешние или внутренние раздражители (воздействия) и адекватно на них реагировать). Она проявляется в изменениях обмена веществ (например, при сокращении светового дня и понижении окружающей температуры осенью у растений и животных), в виде двигательных реакций (см. ниже), а высокоорганизованным животным (включая и человека) присущи изменения в поведении. Явление раздражимости лежит в основе реакций организмов, за счет чего поддерживается их гомеостаз - постоянство внутренней среды
Движение, т. е. пространственное перемещение всего организма или отдельных частей их тела. Это свойственно как одноклеточным (бактериям, амебам, инфузориям, водорослям), так и многоклеточным (практически всем животным) организмам. Подвижностью обладают и некоторые клетки многоклеточных (например, фагоциты крови животных и человека). Многоклеточные растения сравнительно с животными характеризуются малой подвижностью, однако и у них можно назвать особые формы проявления двигательных реакций.
Дискретность и целостность. Любая биологическая система состоит из отдельных частей т. е. Дискретна. Но взаимодействие этих отдельных частей образует целостную систему. Например, каждая клетка состоит из отдельных органоидов, но функционирует как единое целое.
Биология – совокупность или система наук о живых системах . Понятие «живые системы» здесь важно подчеркнуть, поскольку жизнь не существует сама по себе, а является свойством определенных систем.
Предмет изучения биологии – все проявления жизни, а именно:
строение и функции живых существ и их природных сообществ;
распространение, происхождение и развитие новых существ и их сообществ;
связи живых существ и их сообществ друг с другом и с неживой природой.
Задачи биологии состоят в изучении всех биологических закономерностей и раскрытии сущности жизни. При этом в биологии используется ряд методов, характерных для естественных наук. К основным методам биологии относятся:
наблюдение , позволяющее описать биологическое явление;
сравнение , дающее возможность найти закономерности, общие для разных явлений;
эксперимент , в ходе которого исследователь искусственно создает ситуацию позволяющую выявить глубоко лежащие (скрытые) свойства биологических объектов;
исторический метод , позволяющий на основе данных о современном мире живого и о его прошлом, раскрывать законы развития живой природы.
Выше было сказано, что биология является системой наук, которые могут быть классифицированы различным образом.
1. По предмету изучения : ботаника, зоология, микробиология и т.д.
2. По общим свойствам живых организмов :
- генетика (закономерности наследственности)
- биохимия (превращения вещества и энергии)
- экология (взаимоотношения живых существ и их природных сообществ с окружающей средой) и т.п.
3. По уровню организации живой материи, на котором рассматриваются живые системы:
- молекулярная биология;
- цитология;
- гистология и т.п.
Приведенные классификации, разумеется, не носят абсолютного характера. Так, например, исследование клетки (цитология) в настоящее время немыслимо без изучения биохимии клетки.
К началу документа
Можно также говорить о трех магистральных направлениях биологии или, по образному выражению трех образах биологии:
1. Традиционная или натуралистическая биология. Ее объектом изучения является живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности – «Храм природы», как называл ее Эразма Дарвина. Истоки традиционной биологии восходят к средним векам, хотя вполне естественно здесь вспомнить и работы Аристотеля, который рассматривал вопросы биологии, биологического прогресса, пытался систематизировать живые организма («лестница Природы»). Оформление биологии в самостоятельную науку – натуралистическую биологию приходится на 18-19 века. Первый этап натуралистической биологии ознаменовался созданием классификаций животных и растений. К ним относятся известная классификация К. Линнея (1707 – 1778), являющаяся традиционной систематизацией растительного мира, а также классификация Ж.-Б. Ламарка, применившего эволюционный подход к классифицированию растений и животных. Традиционная биология не утратила своего значения и в настоящее время. В качестве доказательства приводят положение экологии среди биологических наук а также во всем естествознании. Ее позиции и авторитет в настоящее время чрезвычайно высоки, а она в первую очередь основывается в принципах традиционной биологии , поскольку исследует взаимоотношений организмов между собой (биотические факторы ) и со средой обитания (абиотические факторы ).
2. Функционально-химическая биология , отражающая сближение биологии с точными физико-химическими науками. Особенность физико-химической биологии – широкое использование экспериментальных методов, которые позволяют исследовать живую материю на субмикроскопическом, надмолекулярном и молекулярном уровнях. Одним из важнейших разделов физико-химической биологии является молекулярная биология – наука изучающая структуру макромолекул, лежащих в основе живого вещества. Биологию нередко называют одной из лидирующих наук 21-го века.
К важнейшим экспериментальным методам, использующимся в физико-химической биологии, относятся метод меченых (радиоактивных) атомов, метолы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, методы фракционирования (например, разделение различных аминокислот), использование ЭВМ и др.
3. Эволюционная биология. Это направление биологии изучает закономерности исторического развития организмов. В настоящее время концепция эволюционизма стала, фактически, платформой, на которой происходит синтез разнородного и специализированного знания. В основе современной эволюционной биологии лежит теория Дарвина. Интересно и то, что Дарвину в свое время удалось выявить такие факты и закономерности, которые имеют универсальное значение, т.е. теория созданная им, приложима к объяснению явлений, происходящих не только в живой, но и неживой природе. В настоящее время эволюционный подход взят на вооружение всем естествознанием. Вместе с тем, эволюционная биология – самостоятельная область знания, с собственными проблемами, методами исследования и перспективой развития.
В настоящее время предпринимаются попытки синтеза этих трех направлений («образов») биологии и оформления самостоятельной дисциплины – теоретической биологии.
4. Теоретическая биология. Целью теоретической биологии является познание самых фундаментальных и общих принципов, законов и свойств, лежащих в основе живой материи. Здесь разные исследования выдвигают различные мнения по вопросу о том, что должно стать фундаментом теоретической биологии. Рассмотрим некоторые из них:
К началу документа
Аксиомы биологии. Б.М. Медников – видный теоретик и экспериментатор, вывел 4 аксиомы, характеризующие жизнь и отличающие её от «нежизни».
Таблица 1. Аксиомы биологии
| Аксиома 1 Все живые организмы должны состоять из фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение. Наследуется не структура, а описание структуры и инструкция по ее изготовлению. Жизнь на основе только одного генотипа или одного фенотипа невозможна, т.к. при этом нельзя обеспечить ни самовоспроизведения структуры, ни ее самоподдержания. (Д. Нейман, Н. Винер) | Аксиома 2 Генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения. Жизнь – это матричное копирование с последующей самосборкой копий. (Н.К. Кольцов) |
| Аксиома 3 В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными. Отбор случайных изменений не только основа эволюции жизни, но и причина ее становления, потому что без мутаций отбор не действует. | Аксиома 4 В процессе формирования фенотипа случайные изменения генетических программ многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды. Из-за усиления в фенотипах случайных изменений эволюция живой природы принципиально непредсказуема. (Н.В.Тимофеев-Ресовский) |
Э.С. Бауэр
(1935г.) выдвинул в качестве основной характеристики жизни принцип устойчивой неравновесности живых систем.
Л. Берталанфи
(1932г.) рассматривал биологические объекты как открытые системы, находящиеся в состоянии динамического равновесия.
Э. Щредингер
(1945г.), Б.П. Астауров представляли создание теоретической биологии по образу теоретической физики.
С. Лем
(1968г.) выдвинул кибернетическую интерпретацию жизни.
5. А.А. Малиновский (1960г.) предлагал в качестве основы теоретической биологии математические и системные методы.
Таким образом, задача построения теоретической биологии отличается чрезвычайной сложностью, комплексностью и многоплановостью. Создание такой теории – одна из важнейших задач современной науки. Вместе с тем ряд авторов подчеркивает, что основой теоретической биологии в любом случае служит развитие эволюционного подхода, и, таким образом, теоретическая биология может рассматриваться как дальнейшее развитие эволюционной биологии.
К началу документа
Предмет изучение, задачи и методы биологии.
Специфика и системность живого
Уровни организации живых систем
1. Предмет изучения, задачи и методы биологии
Биология – совокупность или система наук о живых системах . Понятие «живые системы» здесь важно подчеркнуть, поскольку жизнь не существует сама по себе, а является свойством определенных систем.
Предмет изучения биологии – все проявления жизни, а именно:
строение и функции живых существ и их природных сообществ;
распространение, происхождение и развитие новых существ и их сообществ;
связи живых существ и их сообществ друг с другом и с неживой природой.
Задачи биологии состоят в изучении всех биологических закономерностей и раскрытии сущности жизни. При этом в биологии используется ряд методов, характерных для естественных наук. К основным методам биологии относятся:
наблюдение , позволяющее описать биологическое явление;
сравнение , дающее возможность найти закономерности, общие для разных явлений;
эксперимент , в ходе которого исследователь искусственно создает ситуацию позволяющую выявить глубоко лежащие (скрытые) свойства биологических объектов;
исторический метод , позволяющий на основе данных о современном мире живого и о его прошлом, раскрывать законы развития живой природы.
Выше было сказано, что биология является системой наук, которые могут быть классифицированы различным образом.
По предмету изучения : ботаника, зоология, микробиология и т.д.
По общим свойствам живых организмов :
генетика (закономерности наследственности)
биохимия (превращения вещества и энергии)
экология (взаимоотношения живых существ и их природных сообществ с окружающей средой) и т.п.
По уровню организации живой материи, на котором рассматриваются живые системы:
молекулярная биология;
цитология;
гистология и т.п.
Приведенные классификации, разумеется, не носят абсолютного характера. Так, например, исследование клетки (цитология) в настоящее время немыслимо без изучения биохимии клетки.
Можно также говорить о трех магистральных направлениях биологии или, по образному выражению трех образах биологии:
Традиционная или натуралистическая биология. Ее объектом изучения является живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности – «Храм природы», как называл ее Эразма Дарвина. Истоки традиционной биологии восходят к средним векам, хотя вполне естественно здесь вспомнить и работы Аристотеля, который рассматривал вопросы биологии, биологического прогресса, пытался систематизировать живые организма («лестница Природы»). Оформление биологии в самостоятельную науку – натуралистическую биологию приходится на 18-19 века. Первый этап натуралистической биологии ознаменовался созданием классификаций животных и растений. К ним относятся известная классификация К. Линнея (1707 – 1778), являющаяся традиционной систематизацией растительного мира, а также классификация Ж.-Б. Ламарка, применившего эволюционный подход к классифицированию растений и животных. Традиционная биология не утратила своего значения и в настоящее время. В качестве доказательства приводят положение экологии среди биологических наук а также во всем естествознании. Ее позиции и авторитет в настоящее время чрезвычайно высоки, а она в первую очередь основывается в принципах традиционной биологии , поскольку исследует взаимоотношений организмов между собой (биотические факторы ) и со средой обитания (абиотические факторы ).
Функционально-химическая биология , отражающая сближение биологии с точными физико-химическими науками. Особенность физико-химической биологии – широкое использование экспериментальных методов, которые позволяют исследовать живую материю на субмикроскопическом, надмолекулярном и молекулярном уровнях. Одним из важнейших разделов физико-химической биологии является молекулярная биология – наука изучающая структуру макромолекул, лежащих в основе живого вещества. Биологию нередко называют одной из лидирующих наук 21-го века.
К важнейшим экспериментальным методам, использующимся в физико-химической биологии, относятся метод меченых (радиоактивных) атомов, метолы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, методы фракционирования (например, разделение различных аминокислот), использование ЭВМ и др.
3. Эволюционная биология. Это направление биологии изучает закономерности исторического развития организмов. В настоящее время концепция эволюционизма стала, фактически, платформой, на которой происходит синтез разнородного и специализированного знания. В основе современной эволюционной биологии лежит теория Дарвина. Интересно и то, что Дарвину в свое время удалось выявить такие факты и закономерности, которые имеют универсальное значение, т.е. теория созданная им, приложима к объяснению явлений, происходящих не только в живой, но и неживой природе. В настоящее время эволюционный подход взят на вооружение всем естествознанием. Вместе с тем, эволюционная биология – самостоятельная область знания, с собственными проблемами, методами исследования и перспективой развития.
В настоящее время предпринимаются попытки синтеза этих трех направлений («образов») биологии и оформления самостоятельной дисциплины – теоретической биологии.
4. Теоретическая биология. Целью теоретической биологии является познание самых фундаментальных и общих принципов, законов и свойств, лежащих в основе живой материи. Здесь разные исследования выдвигают различные мнения по вопросу о том, что должно стать фундаментом теоретической биологии. Дело в том, что задача построения теоретической биологии отличается чрезвычайной сложностью, комплексностью и многоплановостью. Создание такой теории – одна из важнейших задач современной науки. Вместе с тем ряд авторов подчеркивает, что основой теоретической биологии в любом случае служит развитие эволюционного подхода, и, таким образом, теоретическая биология может рассматриваться как дальнейшее развитие эволюционной биологии.
Вопрос 1. Введение в биологию
1. Определение биологии
Биология – наука о жизни . Она изучает жизнь как особую форму движения материи, законы ее существования и развития. Предметом изучения биологии являются живые организмы, их строение, функции, их природные сообщества. Термин «биология», предложенный в 1802 г. впервые Ж.Б. Ламарком, происходит от двух греческих слов: bios - жизнь и logos – наука. Вместе с астрономией, физикой, химией, геологией и другими науками, изучающими природу, биология относится к числу естественных наук. В общей системе знаний об окружающем мире другую группу наук составляют социальные, или гуманитарные (лат. humanitas – человеческая природа), науки, изучающие закономерности развития человеческого общества.
2. Современная биология
Классификацией живых существ занимается систематика.
Ряд биологических наук изучает морфологию, т. е. строение организмов, другие – физиологию, т. е. процессы, протекающие в живых организмах, и обмен веществ между организмами и средой. К морфологическим наукам относятся анатомия, изучающая макроскопическую организацию животных и растений, и гистология – наука о тканях и о микроскопическом строении тела.
Многие общебиологические закономерности являются предметом изучения цитологии, эмбриологии, геронтологии, генетики, экологии, дарвинизма и других наук.
3. Наука о клетке
Цитология – наука о клетке. Благодаря применению электронного микроскопа, новейших химических и физических методов исследования современная цитология изучает строение и жизнедеятельность клетки не только на микроскопическом, но и на субмикроскопическом, молекулярном уровне.
4. Эмбриология и генетика
Эмбриология изучает закономерности индивидуальности развития организмов, развитие зародыша. Геронтология – учение о старении организмов и борьбе за долголетие.
Генетика – наука о закономерностях изменчивости и наследственности. Она является теоретической базой селекции микроорганизмов, культурных растений и домашних животных.
5. Экологические науки
6. Палеонтология. Антропология
Палеонтология изучает вымершие организмы, ископаемые останки прежней жизни.
Дарвинизм , или эволюционное учение, рассматривает общие закономерности исторического развития органического мира.
Антропология – наука о происхождении человека и его рас. Правильное понимание биологической эволюции человека невозможно без учета закономерностей развития человеческого общества, поэтому антропология является не только биологической, но и социальной наукой.
7. Связь биологии с другими науками
Во всех теоретических и практических медицинских науках используются общебиологические закономерности.
Вопрос 2. Методы биологических наук
1. Основные методы биологии
Основными частными методами в биологии являются:
Описательный,
Сравнительный,
Исторический,
Экспериментальный.
Для того чтобы выяснить сущность явлений, необходимо прежде всего собрать фактический материал и описать его. Собирание и описание фактов были главным приемом исследования в ранний период развития биологии , который, однако, не утратил значения и в настоящее время.
Еще в XVIII в. получил распространение сравнительный метод, позволяющий путем сопоставления изучать сходство и различие организмов и их частей. На принципах этого метода была основана систематика и сделано одно из крупнейших обобщений – создана клеточная теория. Сравнительный метод перерос в исторический , но не потерял своего значения и сейчас.
2. Исторический метод
Исторический метод выясняет закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функций. Утверждением в биологии исторического метода наука обязана Ч. Дарвину.
3. Экспериментальный метод
Экспериментальный метод исследования явлений природы связан с активным воздействием на них путем постановки опытов (экспериментов) в точно учитываемых условиях и путем изменения течения процессов в нужном исследователю направлении. Этот метод позволяет изучать явления изолированно и добиваться повторяемости их при воспроизведении тех же условий. Эксперимент обеспечивает не только более глубокое, чем другие методы, проникновение в сущность явлений, но и непосредственное овладение ими.
Высшей формой эксперимента является моделирование изучаемых процессов. Блестящий экспериментатор И.П. Павлов говорил: «Наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что он хочет».
Комплексное использование различных методов позволяет наиболее полно познать явления и объекты природы. Происходящее в настоящее время сближение биологии с химией, физикой, математикой и кибернетикой, использование их методов для решения биологических задач оказались весьма плодотворными.
Вопрос 3. Этапы развития биологии
1. Эволюция биологии
Развитие каждой науки находится в известной зависимости от способа производства , общественного строя, потребностей практики, общего уровня науки и техники. Первые сведения о живых организмах начал накапливать еще первобытный человек. Живые организмы доставляли ему пищу, материал для одежды и жилища. Уже в то время появилась необходимость знать свойства растений и животных, места их обитания и произрастания, сроки созревания плодов и семян, особенности поведения животных. Так постепенно не из праздной любознательности, а вследствие насущных повседневных потребностей накапливались сведения о живых организмах. Приручение животных и начало возделывания растений потребовали более глубоких сведений о живых организмах.
Первоначально накапливающийся опыт передавался устно от одного поколения другому. Появление письменности способствовало лучшему сохранению и передаче знаний.
Информация становилась полней и богаче. Однако длительное время вследствие низкого уровня развития общественного производства биологической науки еще не существовало.
2. Изучение биологии в древности
Значительный фактический материал о живых организмах был собран великим врачом Греции Гиппократом (460–377 гг. до н. э.). Ему принадлежат первые сведения о строении животных и человека, описание костей, мышц, сухожилий, головного и спинного мозга. Гиппократ учил: «Необходимо, чтобы каждый врач понимал природу».
Естествознание и философия античного мира в наиболее концентрированном виде представлены в трудах Аристотеля (384–322 гг. до н. э.). Он описал более 500 видов животных и сделал первую попытку их классификации. Аристотель интересовался строением и образом жизни животных. Им были заложены основы зоологии. Аристотель оказал огромное влияние на дальнейшее развитие естествознания и философии. Работы Аристотеля в области изучения и систематизации знаний о растениях продолжил Теофраст ( 372–287 гг. до н. э.). Его называют «отцом ботаники». Расширением знаний о строении человеческого тела античная наука обязана римскому врачу Галену (139–200 гг. н. э.) производившему вскрытие обезьян и свиней. Труды его оказывали влияние на естествознание и медицину в течение ряда веков. Римский поэт и философ Тит Лукреций Кар , живший в I в. до н. э., в поэме «О природе вещей» выступил против религии и высказал мысль о естественном возникновении и развитии жизни.
3. Упадок науки в Средневековье
На смену рабовладельческому обществу в результате развития производительных сил и производственных отношений пришел феодализм, охватывающий период Средневековья. В эту мрачную эпоху утвердилось господство церкви с ее мистикой и реакционной идеологией. Наука переживала упадок, стала, по выражению К. Маркса , «служанкой богословия». Церковь канонизировала и объявила незыблемой истиной сочинения Аристотеля, Галена , во многом исказив их. Утверждалось, что в естествознании все проблемы уже решены учеными древности, поэтому в изучении живой природы нет необходимости. «Мудрость мира – есть безумие перед богом», – поучала церковь. Библия была объявлена книгой «божественного откровения». Все объяснения явлений природы не должны были противоречить ни Библии, ни сочинениям древних. Церковь жестоко карала всех прогрессивных мыслителей и исследователей, поэтому накопление знаний в эпоху Средневековья шло очень медленно.
4. Эпоха Возрождения и развитие науки
Важным рубежом в развитии науки являлась эпоха Возрождения (XIV–XVI вв.). С этим периодом связано зарождение нового общественного класса – буржуазии. Развивающиеся производственные силы требовали конкретных знаний. Это привело к обособлению ряда наук о природе. В XV–XVIII вв. выделились и интенсивно развивались ботаника, зоология, анатомия, физиология. Однако развивающемуся естествознанию нужно было еще отстаивать свои права на существование, вести жестокую борьбу с церковью. Еще продолжали пылать костры инквизиции. Мигель Сервет (1511–1553 гг.), открывший малый круг кровообращения, был объявлен еретиком и сожжен на костре.
5. Учение Ф. Энгельса
Характерной чертой естествознания того времени было изолированное изучение объектов природы. «Надо был исследовать предметы, прежде чем можно было приступить к исследованию процессов», – писал Ф. Энгельс . Изолированное изучение объектов природы порождало представления о ее неизменности, в том числе неизменности видов. «Видов столько, сколько их создал творец», – считал К. Линней . «Но что особенно характеризует рассматриваемый период, так это – выработка своеобразного общего мировоззрения, центром которого является представление об абсолютной неизменяемости природы», – писал Ф. Энгельс . Этот период в развитии естествознания он называл метафизическим.
Однако, как указывает Ф. Энгельс , уже тогда в метафизических представлениях начинают возникать первые бреши. В 1755 г. появилась «Всеобщая естественная история и теория неба» И. Канта (1724–1804 гг.), в которой он развил гипотезу о естественном происхождении Земли. Через 50 лет эта гипотеза получила математическое обоснование в работе П.С. Лапласа (1749–1827 гг.).
В борьбе с идеалистическими представлениями большую положительную роль сыграли французские материалисты XVIII в. – Ж. Ламетри (1709–1751 гг.), Д. Дидро (1713–1784 гг.) и др.
6. Необходимость нового подхода к изучению природы
В период быстрого развития промышленности и роста городов, потребовавшего резкого увеличения продуктов сельскохозяйственного производства, возникла необходимость в научном ведении земледелия. Потребовалось раскрытие закономерностей жизнедеятельности организмов, истории их развития. Для решения этих задач нужен был новых подход к изучению природы. В науку начинают проникать идеи о всеобщей связи явлений, изменяемости природы, эволюции органического мира.
Академик Российской академии наук К.Ф. Вольф (1733–1794 гг.), исследуя зародышевое развитие животных, выяснил, что индивидуальное развитие связано с новообразованием и преобразованием частей эмбриона. По словам Ф. Энгельса, Вольф произвел в 1759 г. первое нападение на теорию постоянства видов. В 1809 г. Ж.Б. Ламарк (1744–1829 гг.) выступил с первой теорией эволюции. Однако фактического материала для обоснования теории эволюции еще было недостаточно. Ламарку не удалось открыть основные закономерности развития органического мира, и его теория не была признана современниками.
7. Возникновение новых наук
В первой половине XIX в. возникли новые науки – палеонтология, сравнительная анатомия животных и растений, гистология и эмбриология. Знания, накопленные естествознанием в первой половине XIX в., явились прочной основой для эволюционной теории Ч. Дарвина. Его труд «Происхождение видов» (1859 г.) знаменовал собой переломный момент в развитии биологии: с него началась новая эпоха в истории естествознания. Вокруг учения Дарвина возникает ожесточенная идеологическая борьба, но идея эволюционного развития быстро завоевывает всеобщее признание. Вторая половина XIX в. характеризуется плодотворным проникновением идей дарвинизма во все области биологии.
8. Распад науки на отдельные отрасли
Для биологии ХХ в. характерны два процесса. Во-первых, вследствие накопления огромного фактического материала прежние единые науки начинают распадаться на отдельные отрасли. Так, из зоологии выделились энтомология, гельминтология, протозоология и многие другие отрасли, из физиологии – эндокринология, физиология высшей нервной деятельности и т. д. Во-вторых, намечается тенденция к сближению биологии с другими науками : возникли биохимия, биофизика, биогеохимия и др. Появление пограничных наук указывает на диалектическое единство многообразных форм существования и развития материи, способствует преодолению метафизического разобщения в изучении форм ее существования. В последние десятилетия в связи с бурным развитием техники и новейшими достижениями в ряде областей естествознания возникли молекулярная биология, бионика, радиобиология, космическая биология.
Молекулярная биология – область современного естествознания. Используя теоретические основы и экспериментальные методы химии и молекулярной физики, она дает возможность исследовать биологические системы на молекулярном уровне.
Бионика изучает функции и строение организмов с целью использования тех же принципов при создании новой техники. Если до настоящего времени биология была одной из теоретических основ медицины и сельского хозяйства, то ныне становится также одной из основ техники будущего.
Появление радиобиологии – учения о действии ионизирующих излучений на живые организмы – связано с открытием биологического действия рентгеновских и гамма-лучей, особенно после обнаружения природных источников радиоактивности и создания искусственных источников ионизирующих излучений.
До недавнего прошлого биология оставалась чисто земной наукой, изучающей формы жизни только на нашей планете. Однако успехи современной техники, позволившие создать летательные аппараты, способные преодолевать земное притяжение и выходить в космическое пространство, поставили перед биологией ряд новых задач, являющихся предметом космической биологии . В решении вопросов сегодняшнего дня вместе с биологами принимают участие математики, кибернетики, физики, химики и специалисты в других областях естествознания.
Вопрос 4. Роль биологии в системе медицинского образования
1. Связь биологии с медициной
Важность изучения биологии для медика определяется тем, что биология – это теоретическая основа медицины. «Медицина, взятая в плане теории, – это прежде всего общая биология», – писал один из крупнейших теоретиков медицины И.В. Давыдовский. Успехи медицины связаны с биологическими исследованиями, поэтому врач постоянно должен быть осведомлен о новейших достижениях биологии. Достаточно привести несколько примеров из истории науки, чтобы убедиться в тесной связи успехов медицины с открытиями, сделанными, казалось бы, в чисто теоретических областях биологии.
2. Учение Л. Пастера
Исследования Л. Пастера (1822–1895 гг.), доказавшие невозможность самопроизвольного зарождения жизни в современных условиях, открытие того, что гниение и брожение вызываются микроорганизмами, произвели переворот в медицине и обеспечили развитие хирургии. В практику были введены сначала антисептика (предупреждение заражения раны посредством химических веществ), а затем асептика (предупреждение загрязнения путем стерилизации предметов, соприкасающихся с раной). Это же открытие послужило стимулом к поискам возбудителей заразных болезней, а с обнаружением их связаны разработка профилактики и рационального лечения инфекционных болезней. Открытие клетки и изучение микроскопического строения организмов позволили глубже понять причины возникновения болезненного процесса, способствовали разработке методов диагностики и лечения. То же самое следует сказать об изучении физиологических и биохимических закономерностей. Изучение И.И. Мечниковым процессов пищеварения у низших многоклеточных организмов способствовало объяснению явлений иммунитета. Его исследования по межвидовой борьбе у микроорганизмов привели к открытию антибиотиков, используемых для лечения многих болезней.
3. Филогенетический принцип
Следует помнить, что человек выделился из животного мира. Структура и функции человеческого организма, в том числе защитные механизмы, – результат длительных эволюционных преобразований предшествующих форм. В основе патологических процессов также лежат общебиологические закономерности. Необходимой предпосылкой для понимания сущности патологического процесса является знание биологии.
Филогенетический принцип , учитывающий эволюцию органического мира, может подсказать правильный подход к созданию живых моделей для изучения и незаразных болезней и для испытания новых лекарственных препаратов. Этот же метод помогает найти правильное решение при выборе тканей для заместительной трансплантации, понять происхождение аномалий и уродств, найти наиболее рациональные пути реконструкции органа и т. д.
4. Роль генетики в медицине
Большое число болезней имеет наследственную природу. Профилактика и лечение их требуют знания генетики. Ненаследственные болезни протекают неодинаково, а их лечение проводится в зависимости от генетической конституции человека, чего не может не учитывать врач. Многие врожденные аномалии возникают вследствие воздействия неблагоприятных условий среды. Предупредить их – задача врача, вооруженного знаниями биологии развития организмов. Здоровье людей в большой мере зависит от среды, в частности от той, которую создает человечество. Знание биологических закономерностей необходимо для научно обоснованного отношения к природе, охране и использованию ее ресурсов, в том числе с целью лечения и профилактики заболеваний. Как уже говорилось, причиной многих болезней человека являются живые организмы, поэтому для понимания патогенеза (механизма возникновения и развития болезни) и закономерностей эпидемического процесса (т. е. распространения заразных болезней) необходимо изучение болезнетворных организмов.
Вопрос 5. Обмен веществ и энергии
1. Совокупность закономерностей
К числу закономерностей, совокупность которых характеризует жизнь, относятся:
Самообновление, связанное с потоком вещества и энергии;
Самовоспроизведение, обеспечивающее преемственность между сменяющими друг друга генерациями биологических систем, связанное с потоком информации;
Саморегуляция, базирующаяся на потоке вещества, энергии и информации.
Перечисленные закономерности обусловливают основные атрибуты жизни: обмен веществ и энергии, раздражимость, гомеостаз, репродукцию, наследственность, изменчивость, индивидуальное и филогенетическое развитие.
2. Обмен веществ и энергии
Характеризуя явление жизни, Ф. Энгельс писал: «Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».
Важно отметить, что обмен веществ может иметь место и между телами неживой природы . Однако обмен веществ как свойство живого качественно отличается от обменных процессов в неживых телах. Для того чтобы показать эти отличия, рассмотрим ряд примеров.
Горящий кусок угля находится в состоянии обмена с окружающей природой: происходит включение кислорода в химическую реакцию и выделение углекислого газа. Образование ржавчины на поверхности железного предмета является следствие обмена со средой. Но в результате этих процессов неживые тела перестают быть тем, чем они были. Наоборот, для тел живой природы обмен с окружающей средой является условием их существования. В живых организмах обмен веществ приводит к восстановлению разрушенных компонентов, замене их новыми, подобными им, т. е. к самообновлению и самовоспроизведению , построению тела живого организма за счет усвоения веществ из окружающей среды.
Из сказанного следует, что организмы существуют как открытые системы. Через каждый организм идут непрерывные потоки вещества и энергии. Осуществление этих процессов обусловлено свойствами белков, особенно их каталитической активностью.
3. Места обитания микроорганизмов
Благодаря тому, что организмы – открытые системы, они находятся в единстве со средой , а физические, химические и биологические свойства окружающей среды обусловливают осуществление всех процессов жизнедеятельности. Каждый вид организмов приспособлен к обитанию лишь в определенных условиях. Это те условия, в которых происходило развитие данного вида, к которым он приспособился. Одни виды обитают только в воде, другие – на суше, одни – лишь в полярных широтах, другие – в экваториальном поясе, различные организмы приспособлены к обитанию в степях, пустынях, лесах, глубинах океанов или на вершинах гор. Немало таких, для которых средой обитания служат другие организмы (их кишечник, мышцы, кровь и т. д.).
4. Изменение окружающей среды
Не только организмы зависят от среды, но и сама окружающая среда изменяется в результате жизнедеятельности организмов. Первобытный облик нашей планеты значительно изменился под воздействием организмов: она приобрела атмосферу со свободным кислородом и почвенный покров. Из свободного кислорода образовался озон, препятствующий проникновению ультрафиолетового излучения к поверхности Земли; так возник «озоновый экран», обеспечивающий существование жизни на поверхности суши. Из зеленых растений, накопивших в себе солнечную энергию в прошлые геологические эпохи, сформировались огромные запасы богатых энергией горных пород, таких как уголь и торф. Органическое происхождение имеют известняки, мел и многие другие минералы. Растительный покров влияет на климат, древесная растительность делает его более мягким, уменьшает колебания температуры и других метеорологических факторов. Влияние неживой природы на организмы и организмов на неживые тела указывает на единство всей природы.