Биология как наука. Методы научного познания

Элементы содержания, проверяемые на ЕГЭ:

1.1. Биология как наука, ее достижения, методы познания живой природы. Роль биологии в формировании современной естественно-научной картины мира

1.2. Уровневая организация и эволюция. Основные уровни организации живой природы: клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный. Биологические системы. Общие признаки биологических систем: клеточное строение, особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, гомеостаз, раздражимость, движение, рост и развитие, воспроизведение, эволюция

2.1. Современная клеточная теория, ее основные положения, роль в формировании современной естественно-научной картины мира. Развитие знаний о клетке. Клеточное строение организмов - основа единства органического мира, доказательство родства живой природы

2.2. Многообразие клеток. Прокариоты и эукариоты. Сравнительная характеристика клеток растений, животных, бактерий, грибов

 

Биология как наука

Биология (от греч. биос - жизнь, логос - слово, наука) - это комплекс наук о живой природе, изучающих строение и функции живых существ, их разнообразие, происхождение и развитие, а также взаимодействие с окружающей средой.

Биологические науки. По предмету исследования биологию подразделяют на отдельные науки: ботаника комплексно изучает растения и растительный покров Земли; зоология - животных; микология - грибы; лихенология - лишайники; микробиология - микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы); палеонтология - ископаемые останки живых организмов: систематика, или таксономия, описывает и классифицирует существующие и вымершие виды организмов; генетика исследует закономерности наследственности и изменчивости; биохимия - химический состав организмов и их обмен веществ; цитология - клетку; гистология - ткани; анатомия - внутреннее строение организмов; морфология - их внешнее строение; физиология - процессы жизнедеятельности; эмбриология - зародышевое развитие; экология - взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой; эволюционное учение - закономерности возникновения жизни на Земле и её развития.

Прикладные аспекты биологии в основном отнесены к сфере биотехнологии и селекции. Биотехнология концентрируется на использовании живых организмов и биологических процессов в производстве, а селекция - на выведении групп организмов с нужными человеку свойствами.

 

Достижения биологии

Важнейшими событиями в области биологии, повлиявшими на весь ход её дальнейшего развития, являются: установление молекулярной структуры ДНК и её роли в передаче информации в живой материи (Ф. Крик, Дж. Уотсон, М. Уилкинс); расшифровка генетического кода (Р. Холли, Х. Г. Корана, М. Ниренберг); открытие структуры гена и генетической регуляции синтеза белков (А. М. Львов, Ф. Жакоб, Ж.-Л. Моно и др.); расшифровка генома человека и других организмов; определение механизмов контроля потока генетической информации; формулировка клеточной теории (М. Шлейден, Т. Шванн, Р. Вирхов, К. Бэр); исследование закономерностей наследственности и изменчивости (Г. Мендель, Х. де Фриз, Т. Морган и др.); формулировка принципов современной систематики (К. Линней), эволюционной теории (Ч. Дарвин) и учения о биосфере (В. И. Вернадский).

 

Методы познания живой природы

В современной биологии основными методами являются научный, исторический, сравнительно-описательный методы, мониторинг, моделирование, микроскопия, центрифугирование, радиофотография и др.

Научный метод включает в себя наблюдение, формулировку гипотез, эксперимент, моделирование, анализ результатов и выведение общих закономерностей.

Исторический метод выявляет закономерности появления и развития организмов, становление их структуры и функции.

Сравнительно-описательный метод предусматривает проведение анатомо-морфологического анализа объектов исследования. Он лежит в основе классификации организмов, выявления закономерностей возникновения и развития различных форм жизни. 

Мониторинг - это система мероприятий по наблюдению, оценке и прогнозу изменения состояния исследуемого объекта, в частности биосферы.

Микроскопия позволяет изучить тонкое строение объектов с использованием световых, электронных, рентгеновских и других типов микроскопов.

Центрифугирование, или фракционирование, позволяет разделить частицы по их размерам и плотности под действием центробежной силы; оно используется при изучении строения биологических молекул и клеток.

Радиоавтография основана на использовании радиоактивных изотопов, что даёт возможность изучать распределение веществ в клетках и тканях, процессы обмена веществ, определять возраст ископаемых останков.

 

Роль биологии в формировании современной естественнонаучной картины мира

На этапе становления биология была описательной наукой. Накопление знаний дало толчок развитию представлений о происхождении и путях исторического развития органического мира, а клеточная теория краеугольным камнем легла в основу современных представлений и его единстве.

Открытие закономерностей передачи наследственной информации способствовало бурному развитию биологии в XX-XXI веках и привело к открытию универсального носителя наследственности - ДНК и генетического кода, а также фундаментальных механизмов контроля, считывания и изменчивости наследственной информации.

Развитие представлений об окружающей среде привело к возникновению науки экологии и формулировке учения о биосфере (В. И. Вернадский), что позволяет хотя бы в небольшой степени снизить последствия хозяйственной деятельности человека.

Биологические исследования являются фундаментом сельского и лесного хозяйства, медицины, фармации, пищевой промышленности и других отраслей деятельности человека.

 

Уровневая организация живой природы

Живая природа - сложно организованная многоуровневая система. По особенностям проявления свойств живого выделяют пять основных уровней организации живой материи: клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный. У многоклеточных организмов могут существовать также промежуточные уровни, например, тканевый, органный и др. На каждом из этих уровней различают элементарную единицу и элементарное явление. Элементарная единица - это биологическая система, закономерные изменения которой, или элементарное явление, вносят соответствующий уровню вклад в процесс сохранения и развития жизни.

Клеточный уровень. Проявления некоторых свойств живого обусловлены взаимодействием биологических макромолекул (белков, нуклеиновых кислот и др.), однако, элементарной единицей строения, функций и развития живого является клетка, способная осуществлять и сопрягать процессы реализации и передачи наследственной информации с обменом веществ и превращения энергии, обеспечивая тем самым функционирование более высоких уровней организации. Элементарное явление - реакции клеточного метаболизма.

Организменный уровень. Организм - это целостная система, способная к самостоятельному существованию. У одноклеточных организмов клеточный уровень организации совпадает с организменным, тогда как большинство многоклеточных организмов представлено совокупностью тканей и органов. Элементарной единицей данного уровня является особь, а элементарным явлением - процессы роста и развития в ходе онтогенеза.

Популяционно-видовой уровень. Организмы, отличающиеся от всех других организмов по целому ряду признаков и свободно скрещивающиеся между собой, называются видом. Элементарной единицей данного уровня является популяция - совокупность организмов одного вида, проживающая обособленно от других таких же групп особей. В популяциях становится возможным комбинирование наследственной информации в процессе её передачи потомкам при половом размножении. Элементарное явление - эволюционное преобразование.

Биогеоценотический уровень. Исторически сложившееся сообщество популяций разных видов, взаимосвязанных между собой и с окружающей средой обменом веществ и энергии, называется биогеоценозом. Он является элементарной единицей биогеоценотического уровня. В биогеоценозах осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов. Элементарное явление - потоки энергии и круговорот веществ.

Биосферный уровень. Биосфера является самым высоким уровнем организации жизни на планете Земля и в то же время элементарной единицей биосферного уровня. Она представляет собой все оболочки Земли (атмосферу, гидросферу и литосферу), пронизанные жизнью. Элементарным явлением на биосферном уровне является круговорот веществ, осуществляемый благодаря живым организмам и направляемый потоком энергии.

 

Биологические системы

Биологические объекты различных уровней организации (клетки, организмы и т.д.) рассматривают в настоящее время как биологические системы. Характерными чертами биологических систем являются их целостность, уровневый принцип организации и открытость. Целостность биологических систем в значительной степени достигается за счет саморегуляции, функционирующей по принципу обратной связи.

 

Общие признаки биологических систем

Биологические системы отличаются от тел неживой природы совокупностью признаков и свойств, к которым относят клеточное строение, особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, гомеостаз, раздражимость, движение, рост и развитие, воспроизведение и эволюцию.

Клеточное строение. Клетка является элементарной структурно-функциональной единицей живого, что подтверждается невозможностью размножения вне клеток неклеточных форм жизни - вирусов.

Особенности химического состава. Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и тела неживой природы, но концентрации этих элементов у первых и вторых существенно различаются. Организмы также способны синтезировать сложные органические вещества: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, липиды и др.

Обмен веществ и превращения энергии. Живые системы являются открытыми системами, так как осуществляют обмен веществом и энергией с окружающей средой. Основными процессами обмена веществ и превращения энергии являются питание, дыхание, выделение и др. Данное свойство живого также обеспечивает поддержание гомеостаза.

Гомеостаз. Способность биологических систем противостоять изменениям и поддерживать относительное постоянство химического состава, строения и свойств, а также обеспечивать постоянство функционирования в изменяющихся условиях окружающей среды называется гомеостазом. Сам процесс приспособления к изменяющимся условиям среды называется адаптацией.

Раздражимость. Универсальное свойство живого реагировать на внешние и внутренние воздействия, которое лежит в основе их приспособления к условиям окружающей среды и выживания, называется раздражимостью.

Движение. Неотъемлемым свойством биологических систем является движение. Оно проявляется в виде перемещения тел и их частей в пространстве, в процессе роста и развития.

Рост и развитие. Наследственная информация реализуется в ходе индивидуального развития и выражается в количественных и качественных изменениях организма, то есть росте и развитии.

Воспроизведение. Продолжительность существования отдельной клетки, организма, вида и других биологических систем ограничена по времени, поэтому требуется постоянное воспроизведение этих систем. Размножение организмов поддерживает существование вида, а размножение всех видов, населяющих Землю, - существование биосферы в целом.

Эволюция. Необратимый процесс исторического развития живого называется эволюцией. Её результатом является огромное разнообразие форм жизни, приспособленных к различным условиям среды обитания.

 

 

Клетка как биологическая система

Современная клеточная теория

Клеточная теория является обобщенным представлением о строении и функциях клеток как единиц живого, об их размножении и роли в формировании многоклеточных организмов. Она была сформулирована М. Шлейденом и Т. Шванном (1838-1839) и дополнена Р. Вирховом (1858).

Основные положения клеточной теории

1. Клетка - единица строения, жизнедеятельности, роста и развития живых организмов; вне клетки жизни нет.

2. Клетка - единая система, состоящая из множества закономерно связанных друг с другом элементов, представляющих собой определенное целостное образование.

3. Клетки всех организмов сходны по своему химическому составу, строению и функциям.

4. Новые клетки образуются только в результате деления материнских клеток ("клетка от клетки").

5. Клетки многоклеточных организмов образуют ткани, из тканей состоят органы. Жизнь организма в целом обусловлена взаимодействием составляющих его клеток.

6. Клетки многоклеточных организмов имеют полный набор генов, но отличаются друг от друга тем, что у них работают различные группы генов, следствием чего является морфологическое и функциональное разнообразие клеток - дифференцировка.

 

Развитие знаний о клетке

1665 - открытие клетки английским учёным-физиком Р. Гуком.

1676 - открытие прокариотической клетки голландским микроскопистом А. ван Левенгуком.

1827 - открытие яйцеклетки млекопитающих и человека русским учёным-эмбриологом К. Бэром

1831 - открытие ядра клетки английским ботаником Р. Броуном.

1838-1839 - формулировка клеточной теории бельгийским ботаником М. Шлейденом и немецким зоологом Т. Шванном.

1858 - дополнение клеточной теории Р. Вирховом положением "клетка от клетки". Развитие представлений о клетке продолжается по сей день.

 

Клеточное строение организмов - основа единства органического мира, доказательство родства живой природы

Все известные живые организмы (растения, животные, грибы и бактерии) имеют клеточное строение. Клетка - элементарная структурно-функциональная единица живого, которой присущи все его проявления. В клетках хранится, изменяется и реализуется наследственная информация.

Клетка возникла в результате длительной эволюции органического мира. Многоклеточный организм развивается из одной клетки в результате её деления, в случае гибели одной части организма его целостность может быть восстановлена за счет воспроизведения клеток. Вне клетки невозможны хранение и передача наследственной информации, хранение и перенос энергии с последующим превращением ее в работу. Наконец, разделение функций между клетками в многоклеточном организме обеспечило широкие возможности приспособления организмов к среде обитания и явилось  предпосылкой усложнения их организации.

Благодаря созданию клеточной теории стало понятно, что клетка является мельчайшей единицей жизни, элементарной живой системой, которой присущи все признаки и свойства живого. Формулировка клеточной теории стала важнейшей предпосылкой развития воззрений на наследственность и изменчивость, так как выявление их природы и присущих им закономерностей неизбежно наводило на мысль об универсальности строения живых организмов. Выявление единства химического состава и плана строения клеток послужило толчком и для развития представлений о происхождении живых организмов и их эволюции. Кроме того, происхождение многоклеточных организмов из единственной клетки в процессе эмбрионального развития стало догмой современной эмбриологии.

Познание клетки имеет важнейшее значение для развития большинства биологических наук и медицины.

Таким образом, сходство строения клеток всех живых организмов является доказательством единства происхождения всего живого на земле.

 

Многообразие клеток

Клетки одноклеточных и многоклеточных организмов поражают чрезвычайным разнообразием форм и размеров. Например, организм человека состоит примерно из 200 видов клеток, которые специализируются на выполнении определенных функций и различаются морфологией.

Размеры большинства эукариотических клеток варьируют от нескольких до 100 мкм, а прокариотических - от 0,5 до 10 мкм.

 

Прокариотические и эукариотические клетки

Каждая клетка состоит из цитоплазмы, погруженного в нее наследственного аппарата, и отделена от внешней среды плазматической мембраной, или плазмалеммой, не препятствующей процессу обмена веществ и энергии. Снаружи от мембраны у клетки может быть еще клеточная стенка, состоящая из различных веществ, которая служит для защиты клетки и является своего рода её внешним скелетом.

Цитоплазма представляет собой всё содержимое клетки, заполняющее пространство между плазматической мембраной и структурой, содержащей наследственную информацию. Она состоит из основного вещества - гиалоплазмы - и погруженных в нее органоидов и включений. Органоиды - это постоянные компоненты клетки, выполняющие определенные функции, а включения - возникающие и исчезающие в процессе жизни клетки компоненты, которые выполняют в основном запасающую или выделительную функции.

Различают два основных типа организации клетки: прокариотические и эукариотические.

Прокариотическая клетка не имеет ядра, её наследственная информация не отделена от цитоплазмы мембранами. Область цитоплазмы, в которой хранится наследственная информация в прокариотической клетке, называют нуклеоидом. В цитоплазме прокариотических клеток встречается один вид органоидов - рибосомы, а окруженные мембранами органоиды отсутствуют. Прокариотами являются бактерии и археи.

Эукариотическая клетка хотя бы на одной из стадий развития имеет ядро, в котором находится ДНК. Эукариотические клетки характеризуются наличием мембранных органоидов. К эукариотическим организмам относят растения, животные и грибы.

Большинство прокариот является одноклеточными организмами, а эукариот - многоклеточными.

 

Сравнительная характеристика строения клеток растений, животных, бактерий и грибов

Клетки растений, животных, грибов и бактерий обладают рядом особенностей. По способу питания растения и часть бактерий относятся к автотрофам, а животные, грибы и остальные бактерии являются гетеротрофами. Только клетки растений содержат специфические двумембранные органоиды - пластиды, в том числе хлоропласты, которые обусловливают способность к фотосинтезу. В растительных клетках содержатся крупные центральные вакуоли, наполненные клеточным соком. В клетках животных вакуоли пищеварительные и сократительные, у грибов и бактерий они встречаются редко. Основным запасным веществом у растений является крахмал, у животных и грибов - гликоген, а у бактерий - волютин.

Отличительный признак разных групп организмов - организация поверхностного аппарата. У клеток животных клеточная стенка отсутствует, а плазматическая мембрана покрыта тонким гликокаликсом. У остальных групп организмов есть клеточная стенка. Химическая природа основного вещества клеточной стенки у различных групп живых организмов неодинаковы: у растений это целлюлоза, у грибов - хитин, а у бактерий - муреин.

 

 

 

ЕГЭ. Биология: пошаговая подготовка / Ю.А. Садовниченко. - Москва: Эксмо, 2018. - 368 с.