Особенности биологического уровня организации материи

Всероссийский заочный финансово-экономический институт

Вариант № 18. Особенности биологического уровня организации материи.

1. Опишите предмет биологии как науки.

2. Проанализируйте структуру биологии как науки и этапы ее развития.

3. Выявите сущность живого и охарактеризуйте его основные признаки.

1. Опишите предмет биологии как науки.

Содержание: определение предмета биологии как науки, предмет изучения биологии, задачи биологии, краткая история развития биологии, сущность биологии.

Биология — наука о живой природе. Она представляет собой совокупность знаний о животных, растениях и микроорганизмах. Ее название произошло от греческих слов "биос" - жизнь и "логос" - наука. Предмет изучения биологии – все проявления жизни: строение и функции живых существ и их природных сообществ, их распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой природой. Задачи биологии состоят в изучении всех биологических закономерностей, раскрытии сущности жизни и ее проявлений с целью познания и управления ими. Термин "биология" был предложен в 1802 году независимо друг от друга двумя учеными – французом Ж. Б. Ламарком и немцем Г. Р. Тревиранусом.

Современная биологическая наука - результат длительного процесса развития. Она уходит корнями в древность. Первоначальные знания о живых организмах стали формироваться, когда человек, наконец, осознал свое отличие от окружающего его неподвижного, безжизненного мира.

Современная биология берет начало в странах Средиземноморья (Древний Египет, Древняя Греция). Первые систематические попытки осмыслить явления жизни были сделаны древнегреческими, а в дальнейшем древнеримскими натурфилософами и врачами (начиная с VI в. до н.э.). Особенно большой вклад внесли Гиппократ, Аристотель и Гален.

В средние века накопление биологических знаний диктовалось в основном интересами медицины.

В эпоху Возрождения получили распространение сочинения античных натуралистов, а также энциклопедистов средневековья, писавших о природе. Были достигнуты большие успехи в анатомии.

С изобретением в XVII в. микроскопа возможности изучения живых существ расширились и углубились. Учеными были открыты клеточное и волокнистое строение растений, мир микроскопических существ, эритроциты и сперматозоиды. Они изучали строение и развитие насекомых, движение крови в капиллярах, установили половые различия у растений.

В 1735 году шведский натуралист К. Линней предложил "Систему природы", основанную на признании неизменности изначально сотворенного мира. Во второй половине XVIII возникли идеи исторического развития органического мира. Г. В. Лейбниц провозгласил принцип градации живых существ и предсказал существование переходных форм между растениями и животными. Дальнейшее развитие принцип градации получил в идее "лестницы существ" от минералов до человека.

В 1809 году Ж. Б. Ламарк эволюционно истолковал "лестницу существ", нарисовав в "Философии зоологии" путь совершенствования живых существ от низших к высшим. В 1839 году немецким биологом Т. Шванном была создана единая для всего органического мира клеточная теория. Большие успехи были достигнуты в середине XIX века в области физиологической химии благодаря трудам немецкого ученого Ю. Либиха и французского – Ж. Б. Буссенго, которые сформулировали принцип круговорота веществ в природе. Крупнейшим завоеванием XIX века является эволюционное учение Ч. Дарвина. В 80-х годах XIX века большое развитие получила экспериментальная эмбриология.

В XX веке особенно интенсивно развиваются генетика, цитология, физиология животных и растений, биохимия, эмбриология, эволюционное учение, экология, учение о биосфере, а также микробиология, вирусология, паразитология и многие другие отрасли биологии.

Сущность биологии выявляется наглядно, если начинать ее рассмотрение с постулатов. Такой подход к изложению биологии обусловлен влиянием физики и математики.

1 постулат: "Все живые организмы должны быть единством фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающегося по наследству из поколения в поколение".

Этот постулат объединяет равновесия различных структурных уровней. С одной стороны, это уровень генов, которые могут быть связаны с единичными материальными точками; с другой стороны, живой организм, взаимодействующий с окружающей средой, входящей в биосферу, то есть принадлежащий структурному уровню живого вещества. Первый постулат един для всего живого. Жизнь на основе только одного генотипа и только одного фенотипа невозможна.

2 постулат: "Наследственные молекулы синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения".

Этот постулат можно рассматривать как способ сохранения равновесия и передачи его по наследству. Из второго постулата следует то, что фенотип беднее генотип, и то, что способность к самовоспроизведению на основе матричного принципа может считаться наиболее общим свойством живого. Упорядоченность организма обеспечивается программой, закодированной в длинных нитевидных молекулах ДНК или РНК. "Порядок" организма возникает не из ничего и не сам по себе, а формируется из порядка получаемой от родителей программы.

3 постулат: "В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными".

Такая формулировка этого постулата является следствием укрепления позиций физики в биологии, которыми была ознаменована первая половина XX века. В терминах физики третий постулат можно сформулировать так: "Время и частота каждой спонтанной мутации непредсказуемы принципиально".

4 постулат: "Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипов многократно усиливаются и подвергаются отбору условиями внешней среды".

Отбор действует не прямо на измененные программы, а на фенотипы, в которых каждое изменение усиливается в огромное число раз. Отбор – это не уничтожение, а дифференциальное размножение.

Помимо этих постулатов есть и менее общие, которые характеризуют исторические этапы развития биологической мысли и имеют огромное значение для понимания оснований биологии. Среди этих постулатов в первую очередь следует отметить закон зародышевого сходства К. Бэра и биогенетический закон Ф. Мюллера и Э. Геккеля.

Закон зародышевого сходства Бэра утверждает, что эмбрионы обнаруживают, уже начиная с самых ранних стадий, известное общее сходство в пределах типа. Свойство зародышей разных систематических групп свидетельствует об общности их происхождения.

Согласно биогенетическому закону Мюллера-Геккеля, онтогенез (индивидуальное развитие) каждой особи есть краткое и быстрое повторение филогенеза (исторического развития) вида, к которому относится данная особь.

Сформулированные постулаты образуют основные грани единого общего взгляда на биологию. Также они играют важную роль в теории эволюции.

2. Проанализируйте структуру биологии как науки и этапы ее развития.

Содержание: структура биологии, основные этапы развития биологии, характеристика особенностей каждого этапа.

В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Структуру биологии можно рассматривать с разных точек зрения.

1. По объектам исследования биология подразделяется на:

- вирусологию;

- бактериологию;

- ботанику;

- зоологию;

- антропологию.

2. По свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются:

- морфология – наука о строении живых организмов;

- физиология – наука о функционировании организмов;

- молекулярная биология – наука, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток;

- экология – наука, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой;

- генетика – наука, исследующая законы наследственности и изменчивости.

3. По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются:

- анатомия – наука, изучающая макроскопическое строение животных;

- гистология – наука, изучающая строение тканей;

- цитология – наука, исследующая строение живых клеток.

Эта многоплановость комплекса биологических наук обусловлена чрезвычайным многообразием живого мира. К настоящему времени биологами обнаружено и описано более 1 миллиона видов животных, около полумиллиона растений, несколько сот тысяч видов грибов, более 3 тысяч видов бактерий. Причем мир живой природы исследован далеко не полностью. Число неописанных видов оценивается по меньшей мере в 1 миллион.

Важнейшим инструментом дальнейшего познания этого мира служит категория "живого", которая является ключевой, исходной для всей системы биологических наук.

В развитии биологии выделяют три основных этапа:

1. Систематики (К. Линней).

2. Эволюционный (Ч. Дарвин).

3. Биологии микромира (Г. Мендель).

Каждый из этих этапов связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм.

"Система растений" является главной работой К. Линнея.

Ученый задумал систематизировать весь растительный мир Земли. Зоология и ботаника того времени занимались в основном изучением и описанием видов, но в их распознавании царила безграничная путаница. Вторым основным недостатком тогдашней науки было отсутствие точной классификации.

Эти основные недостатки систематической зоологии и ботаники и были исправлены Линнеем. Его заслуга – чисто методологическая. Он не открывал новых областей знаний и неизвестных до этого законов природы, но он создал новый метод, ясный и логический, при помощи которого дал огромный толчок науке, проложил дорогу для дальнейшего исследования.

Ученый предложил бинарную номенклатуру – систему научного наименования растений и животных. Основываясь на особенностях строения, он разделил все растения на 24 класса, выделив также отдельные роды и виды. Каждое название, по его мнению, должно было состоять из двух слов – родового и видового обозначений.

Несмотря на то, что примененный им принцип был достаточно искусственным, он оказался очень удобным и стал общепринятым в научной классификации. Но для того, чтобы новая номенклатура оказалась плодотворной, необходимо было, чтобы виды, получившие условное название, в то же время были настолько точно и подробно описаны, чтобы их невозможно было смешать с другими видами того же рода. Линней это и делал: он впервые ввел в науку строго определенный, точный язык и точное определение признаков.

Работы Линнея дали огромный толчок систематической ботанике и зоологии. Выработанная терминология и удобная номенклатура облегчили возможность справиться с огромным материалом, в котором прежде было так трудно разобраться.

Эволюционное учение Ч. Дарвина является крупнейшим завоеванием XIX века. Он изложил это учение в своем труде "Происхождение видов" (1859 год).

Ч. Дарвин дал опирающееся на огромное число фактов из биогеографии, палеонтологии, сравнительной анатомии и эмбриологии доказательство эволюционного развития органического мира. Предложив теорию естественного отбора, он раскрыл и механизм органической эволюции, дал причинный анализ движущих факторов эволюционного процесса.

Огромное философское значение дарвинизма состояло в материалистическом разрешении проблемы органической целесообразности. Учение Дарвина внедрило в мышление биологов исторический подход ко всем явлениям жизни. Это способствовало разработке ряда новых направлений в биологии:

- эволюционной сравнительной анатомии (немецкий ученый К. Гегенбаур);

- эволюционной эмбриологии (русские биологи В. О. Ковалевский, И. И. Мечников);

- эволюционной палеонтологии (В. О. Ковалевский).

На этой же основе был сформулирован биогенетический закон и был разработан ряд филогенетических обобщений. С развитием эволюционного учения огромный размах получили зоо- и фитогеография.

Учение о естественном отборе быстро получило самое широкое признание. Однако невыясненность закономерностей изменчивости и наследственности служила источником расхождений в толковании факторов эволюции.

Г. Мендель открыл ген. Его труды были забыты, но затем снова открыты. Менделизм стал отправным пунктом развития генетики. Он был подкреплен рядом обобщений, в том числе мутационной теорией голландского ученого Х. де Фриза, сыгравшей, несмотря на ошибочность многих положений, важную роль в подготовке синтеза генетики и теории эволюции. Были разработаны понятия ген, генотип, фенотип (датский ученый В. Иогансен), обоснована хромосомная теория наследственности (американские ученые Т. Х. Морган, А. Стертевант, Г. Дж. Меллер, К. Бриджес и др.). Важное методологическое значение приобрел вопрос о причинах возникновения наследственных изменений – мутаций. Доказательства влияния на мутационный процесс физических, а затем и химических факторов окончательно опровергли автогенетические концепции генетиков, которые утверждали, что возникновение мутаций имеет самопроизвольный характер, и твердо обосновали материалистическую трактовку мутагенеза.

Благодаря развитию современной биологии микромира, познанию молекулярных структур живого отчетливее стало просматриваться единство природы, органического и неорганического мира, специфика живого.

3. Выявите сущность живого и охарактеризуйте его основные признаки.

Содержание: основные подходы в исследованиях проблемы происхождения жизни, основные определения понятия "жизнь", свойства живого, сущность живого, уровни организации живого.

В исследованиях проблемы происхождения жизни можно выделить несколько основных подходов:

1. Субстанционный подход.

Его развивали А. И. Опарин и Дж. Холдейн. Ключевое значение для происхождения жизни, в соответствии с этим подходом, имеет наличие определенной субстанции, определенных ее структур. Один из видных представителей этого направления В. А. Энгельгардт считал, что подлинное изучение проблемы жизни должно основываться на данных химии, а не математики. Что касается Опарина, то он подчеркивал несводимость биологии к физике и химии.

2. Функциональный подход.

Его основными авторами были А. Н. Колмогоров и А. А. Ляпунов. Отличительной особенностью организмов они считали наличие "управляемых процессов" передачи информации. Они не придавали особого значения связи жизни с определенными химическими элементами и даже допускали возможность небелковых форм жизни.

Жизнь имеет свою неповторимую специфику, свое качество и различные яркие грани. П. Кемп и К. Арме писали: "Живые формы – это выражение беспрестанного потока вещества и энергии, который протекает через организм и в то же время создает его… Мы находим эти непрерывные изменения на всех уровнях биологической организации. В клетках происходит постоянное разрушение составляющих ее химических соединений, но в этом разрушении она продолжает существовать как целое. В многоклеточном организме клетки непрерывно отмирают, заменяясь новыми, но организмы продолжают существовать как целое. В биоценозе, или виде, одни индивидуумы умирают, а другие, новые – рождаются. Таким образом, любая органическая система представляется непрерывно существующей".

Возникновение жизни связано с рядом важных принципов развития: дисимметрии, историзма и др. Огромное значение для понимания жизни имеет жизненный цикл. Жизнь могла возникнуть только в среде своеобразной дисимметрии, отличной от обычной среды биосферы. Этот процесс, по мнению Л. Пастера, регулируется принципом П. Кюри, согласно которому дисимметрия может образоваться лишь под влиянием причины, обладающей такой же дисимметрией.

О принципе историзма хорошо сказал А. Эйнштейн: "Жизни присущ один элемент, хотя логически и отличный от элементов физики, но ни в коем случае не мистический – это "элемент истории" ". Жизненный цикл включает в себя совокупность всех фаз развития организма.

Существует много определений жизни, поскольку изменялись представления о ней, совершенствовалась научная картина мира и ее философское осмысление.

Для естествознания XIX века наиболее удачным можно считать определение Ф. Энгельса, согласно которому жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел. Это определение являлось фундаментом диалектического материализма и многих разделов естествознания, развивавшихся на его основе вплоть до середины XX века.

Во второй половине XX века было предложено следующее определение: жизнь есть способ существования материи, закономерно возникающей на уровне высокомолекулярных соединений и характеризующейся динамичными, лабильными структурами, функцией самообмена, а также процессами саморегулирования, самовосстановления и накопления наследственной информации. В этом определении жизнь представляет собой диалектическое единство трех особенностей – формы, функций и процессов, в то время как определение Ф. Энгельса является диалектическим единством двух особенностей – формы и функций.

Из других определений следует отметить определения современных ученых: российского Челикова и канадского Селье. Согласно первому, жизнь есть способ существования специфически гетерогенного материального субстрата, универсальность и уникальность которого обуславливают целесообразное самовоспроизведение всех форм органического мира в их единстве и многообразии. По определению Г. Селье, жизнь – это процесс непрерывной адаптации организмов к постоянно изменяющимся условиям внешней и внутренней среды. Адаптации заключаются в поддержании структуры и функций всех ключевых систем организма при воздействии на него различных по природе факторов среды. Адаптации являются основой устойчивости и продуктивности всех организмов.

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.

Свойства живого:

1. Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.

2. Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию

3. Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешние раздражения – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.

4. Живые организмы не только изменяются, но и усложняются.

5. Все живое размножается. Эта способность к самовоспроизведению, пожалуй, самая поразительная способность живых организмов. Причем потомство и похоже, и в то же время чем-то отличается от родителей. В этом проявляется действие механизмов наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы.

6. Сходство потомства с родителями обусловлено еще одной особенностью живых организмов – передавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содержится в генах. Генетический материал определяет направление развития организма. Поэтому потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них.

7. Живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни.

Обобщая и несколько упрощая эти свойства, можно сказать, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное 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

Структурный или системный анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен и имеет сложную структуру. Условно на основе критерия масштабности можно выделить следующие уровни организации живого вещества:

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

2. Уровень биогеоценозов. Отражает структуры, состоящие из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс – 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, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.

5. Клеточный и субклеточный уровни. Отражают особенности специализации клеток, а также внутриклеточные структуры.

6. Молекулярный уровень. Отражает особенности химизма живого вещества, а также механизмы и процессы передачи генной информации.

Разделение живой материи на уровни является условным. Но все биологи согласны в том, что в мире живого существуют ступенчатые уровни, своего рода иерархии. Представление о них наглядно отражает системный подход в изучении природы.

Список использованной литературы:

1. Концепции современного естествознания. Под ред. Лавриненко В. Н. и Ратникова В. П. М., 1999.