Биология - Экзамен - ...

Введение

Биология – наука о жизни. Название возникло из сочетания двух греческих слов: bios (жизнь) и logos (слово, учение). Биология изучает строение, проявление жизнедеятельности, среду обитания всех живых организмов. В настоящее время описано около 600 тыс. видов растений, более 2,5 млн. видов животных, несколько тыс. видов грибов и прокариот. Раскрытие общих свойств живых организмов и объяснение причин их многообразия, выявление связей между строением и условиями окружающей среды относятся к основным задачам биологии. Важное место в этой науке занимают вопросы возникновения и законы развития жизни на Земле – эволюционное учение. Понимание этих законов является основой научного мировоззрения и необходимо для решения практических задач.

Достижения биологии привели к возникновению принципиально новых направлений в науке. Общебиологические закономерности используются для решения самых разных вопросов во многих отраслях хозяйства. Благодаря знанию законов наследственности и изменчивости достигнуты большие успехи в сельском хозяйстве при создании новых высокопродуктивных пород домашних животных и сортов культурных растений. На основе этих знаний проводится селекция микроорганизмов, продуцирующих антибиотики.

В дальнейшем практическое значение биологии еще больше возрастет. Это связано с быстрыми темпами роста населения планеты. В этой ситуации основой увеличения количества пищевых ресурсов может быть лишь интенсификация сельского хозяйства. Важную роль в этом процессе играет выведение новых высокопродуктивных форм микроорганизмов, растений и животных, а также рациональное, научно обоснованное использование природных богатств.

Наука как сфера человеческой деятельности

к сфере человеческой деятельности относят: обыденные знания, искусство, религию и науку

О таком многофункциональном явлении, как наука, можно сказать, что это: сфера чел. деятельности, отрасль культуры; способ познания мира; специальный институт (в понятие института здесь входит не только высшее учебное заведение, но и наличие научных обществ, академий, лабораторий, журналов и т. п.)., система знаний.

Цель каждой науки является - создание системы точного проверенного знания, основанного на фактах, которые можно подтвердить или, наоборот, опровергнуть. Для познания необходимы:

• Объект исследования,
• Проблема
• Метод исследования

Метод — это путь исследования, который проходит учёный, решая какую-либо научную задачу, проблему.

Метод — это совокупность действий, призванных помочь достижению желаемого результата. Ф. Бэкон сравнил метод познания с циркулем. Способности людей различны, и для того чтобы всегда добиваться успеха, требуется инструмент,- который уравнивал бы шансы и давал возможность каждому получить нужный результат. Таким инструментом и является научный метод.

В каждой науке свои методы, но есть общий принцип: «Ничего не принимать на веру».

Уровни (этапы) научного познания

Научное познание представляет собой систему, которая имеет несколько уровней познания: эмпирический и теоретический уровень познания. Эмпирическое исследование (от греч. Empeiria – опыт) — это опытное познание.

Теоретическое исследование ( от греч. Theoria – рассматриваю, исследую) представляет собой систему логических высказываний, включающих в себя математические формулы, схемы, графики, образованные для установления законов природы, технических и социальных явлений.

На основе эмпирических (сбора фактов) исследований могут быть сделаны эмпирические обобщения (постановка проблемы), а на их основе формируется гипотеза (от греч. - основание, предположение) — научное предположение.

Научное предположение остается гипотезой до эмпирического подтверждения (Гипотезы происхождения жизни на Земле, Человека)

После выдвижения гипотезы с целью ее проверки исследование опять возвращается на эмпирический уровень. Для проверки научной гипотезы проводятся новые эксперименты. Если гипотеза выдерживает эмпирическую проверку, то она приобретает статус закона или правила. (Правило Менделя, но закон сохранения энергии)

Совокупность нескольких законов, относящихся к одной области знаний, называют теорией (Клеточная теория, эволюционная теория). По мере накопления знаний, теории могут пересматриваться.

Методы можно разделить на эмпирические , теоретические и специальные

Эмпирические

Наблюдение целенаправленных процесс восприятие предметов действительности, чувственное отражение объектов, в ходе которого человек получает первичную информацию. Исследование чаще всего начинается с наблюдения. Наблюдение используется там, где нельзя поставить эксперимент (космология, вулканология). Результаты наблюдений фиксируются в описании. Наблюдать можно визуально, например, за поведением животных. Можно наблюдать с помощью приборов за изменениями, происходящими в живых объектах: например, при снятии кардиограммы в течение суток. Наблюдать можно за сезонными изменениями в природе, за линькой животных и т.д. Выводы, сделанные наблюдателем, проверяются либо повторными наблюдениями, либо экспериментально.

К наблюдениям можно отнести и Мониторинг — система постоянного наблюдения за явлениями и процессами, проходящими в окружающей среде и обществе, результаты которого служат для обоснования управленческих решений по обеспечению безопасности людей

Экспериментальный метод - целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на интересующий объект для изучения его различных сторон. В ходе экспериментального исследования ученый вмешивается в естественный ход событий, преобразует объект исследований. Эксперимент (опыт) – искусственное создание в контролируемых условиях ситуации, которая помогает выявить глубоко скрытые свойства живых объектов. Данный метод способствует изучению явлений изолированно, благодаря чему можно достигать повтора результатов при воспроизведении этих самых явлений в одинаковых условиях. Экспериментальные методы в биологии служат не только для проведения опытов и получения ответов на интересующие вопросы, но и для определения правильности сформулированной в начале изучения материала гипотезы, а также для её корректировки в процессе работы. Основоположником этого метода можно считать Уильяма Гарвея, который изучал процессы кровообращения. В 19 веке этот метод стал использоваться шире, особенно в физиологии. Работы Менделя стала классическим образцом экспериментальной науки

В двадцатом столетии данные способы исследования становятся ведущими в этой науке благодаря появлению современного оборудования для проведения опытов, такого как, например, томограф, электронный микроскоп и прочее. В настоящее время в экспериментальной биологии широко используются биохимические приёмы, рентгеноструктурный анализ, хроматография, а также техника ультратонких срезов, различные способы культивирования и многие другие. Экспериментальные методы в сочетании с системным подходом расширили познавательные возможности биологической науки и открыли новые дороги для применения знаний практически во всех сферах деятельности человека. Перечисленные методы исследования в биологии не исчерпывают всего арсенала способов получения знаний в науке, поэтому между ними нельзя проводить строгую границу. Применяемые в сочетании друг с другом, они дают возможность открывать новые явления и свойства в живых системах за непродолжительный период времени, а также устанавливать закономерности их возникновения, развития и функционирования

К теоретическому уровню можно отнести

Описательный метод. В основе его лежит наблюдение. Он широко применялся еще учёными древности, занимавшихся сбором фактического материала и его описанием (изучение и описание животных и растений), а также применяется в настоящее время (например, при изучении клеток с помощью современных методов)

Сравнение — метод научного познания, позволяющий установить сходство и различие изучаемых объектов. Стал применяться в XVII в. Он позволяет выявлять сходства и различия между организмами и их частями (систематизация растений и животных, разработка клеточной теории). В наше время сравнительный метод также широко применяется в различных биологических науках. Метод сравнения выделяет отличия исследуемых объектов и составляет основу любых измерений, то есть основу экспериментальных исследований.

Измерение — это определение количественных значений изучаемых объектов с помощью специальных технических средств.

Исторический метод — установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени (несколько миллиардов лет). Этот метод помогает осмыслить полученные факты, сопоставить их с ранее известными результатами. Этот метод стал широко применяться во второй половине XIX века (обоснование теории эволюции Ч. Дарвина). Применение исторического метода позволило превратить биологию из науки описательной в науку, объясняющую как произошли и как функционируют многообразные живые системы.

Моделирование — изучение каких-либо объекта с помощью моделей с дальнейшим переносом полученных данных на оригинал. Виды моделирования:

- предметное (модели воспроизводят определенные характеристики объекта),

- мысленное (мысленное представление в форме воображаемых моделей),

- символическое (в качестве моделей используются чертежи, схемы),

-компьютерное моделирование.

Разновидностью этого метода является математическое моделирование. При изменениях числовых значений можно увидеть, как работает система при определенных условиях. Примером математической модели могут быть соотношения численности в системе «хищник-жертва».

Специфические методы в биологии

С XX века экспериментальный метод становится ведущим в биологической науке. Это было обусловлено появлением новых приборов для исследований: электронный микроскоп, томограф. В биологии начали активно применяться методы физики и химии: метод меченых атомов, рентгеноструктурный анализ, хроматогр

афия, центрифугирование и другие. 

Биология делится на множество частных наук, изучающих различные биологические объекты: биология ра

стений и животных, физиология растений, морфология, генетика, систематика, селекция, микология, гельминтология и множество других наук. Поэтому наряду с общебиологическими методами, выделяют методы, которые используются частными биологическими науками: генетика — генеалогический метод изучения родословных, селекция — метод гибридизации, гистология — метод культуры тканей и т.д.

1.1. Типы природных систем

Система (гр. — целое, составленное из части) — множество элементов, находящихся в связях, образующих целостность, единство. В физике рассматривают три типа систем:

1. замкнутые — ничем не обмениваются с внешней средой;

2. закрытые — могут обмениваться с внешней средой только теплотой и работой;

3. открытые — обмениваются с внешней средой теплотой, работой и веществом.

В биологии чаще всего многообразие материальных систем сводится к двум основным типам:

1. косные — системы неживой природы;

2. биотические — системы живой природы.

Кроме этого, выделяют систему биокосную — это природная система, создаваемая динамическим взаимоотношением организмов и окружающей их абиотической средой

.В биологии чаще всего многообразие материальных

систем сводится к двум основным типам:

–

системы неживой природы косные;

–

системы живой природы биотические.

Кроме этого, выделяют систему

биокосную это

природная система , создаваемая динамическим

взаимоотношением организмов и окружающей их

абиотической среды

В неорганическом мире открытые системы обмениваются веществом, энергией, а в живых системах происходит обмен веществом, энергией и информацией. Живая система — открытая динамическая система, активно воспринимающая и преобразующая молекулярную информацию с целью самосохранения, что обеспечивает непрерывность жизни на планете.

Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов или критериев жизни. При этом подчеркивается то, что только совокупность таких свойств может дать представление о специфике жизни.

К числу критериев жизни обычно относят:

1. особенности химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объект неживой природы, однако соотношение различных элементов вживом и неживом разное;

2. живые организмы характеризуются упорядоченной сложной структурой;

3. живые организмы получают энергию из окружающей среды,причем большинство из них прямо или косвенно используют солнечную энергию;

4. все живые организмы обладают раздражимостью;

5. живые организмы изменяются и усложняются;

6. все живое размножается. Способность к самовоспроизведению — основополагающий признак жизни, поскольку при этом проявляется действие механизма наследственности иизменчивости;

7. живые организмы передают по наследству заложенную в них информацию, необходимую для развития и размножения потомства;

8. живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания.

Многие ученые пытались дать определение и характеристикужизни. В одной из последних и наиболее удачных попыток живое характеризуется следующими особенностями, сформулированными Б.М. Медниковым (1982) в виде аксиом теоретической биологии:

1. Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы для их построения (генотипа), передающихся по наследству из поколения в поколение (аксиома А. Вейсмана).

2. Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предшествующего поколения (аксиома Н.К. Кольцова). (Генотип — генетическая (наследственная) конституция организма, совокупность всех его генов. В современной генетике рассматривается не как механическийнабор генов, а как единая система, в которой любой ген может находиться в сложном взаимодействии с остальными генами. Фенотип — совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся в процессе индивидуального развития).

3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате различных причин изменяются случайно и не направленно, и лишь случайно такие изменения могут оказаться удачными в данной среде (1-я аксиома Ч. Дарвина).

4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н.В. Тимофеева-Ресовского). Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды (вторая аксиома Ч. Дарвина).

1.2. Структурные уровни биологических систем

Мир живого разнообразен и имеет сложную структуру. На основе

разных критериев могут быть выделены различные уровни или системы организации живого мира. Самым распространенным является

выделение на основе критерия масштабности нижеследующих уровней организации живых систем.

Молекулярный уровень, который составляет предмет изучения молекулярной биологии. Важнейшей проблемой является изучение механизмов передачи генной информации и ее практического использования при помощи генной инженерии и биотехнологии.

Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы функционирования клеток и внутриклеточных механизмов.

Клетка является основной элементарной единицей жизни, способной к воспроизводству. Именно в ней протекают все главнейшие обменные процессы. Поэтому начало биологической эволюции и появление подлинной жизни связано с возникновением клеточной организации.

Самыми ранними из возникших на Земле одноклеточных организмов были бактерии, не обладавшие ядром. Вероятно, они жили за счет потребления органических соединений, возникших абиогенно под действием электрических разрядов и ультрафиолетовых лучей.

Организмы, обладающие ядром, возникли значительно позже (около 1,5 млрд лет назад). Кроме строения клетки, различие между прокариотами (организмы, не обладающие оформленным клеточным ядром, — бактерии, в т.ч. цианобактерии или сине-зеленые водоросли) и эукариотами (организмы, обладающие оформленным клеточным ядром) заключается в том, что первые могут жить как в бескислородной среде, так и в атмосфере, содержащей кислород, в то время как для эукариотов почти во всех случаях кислород обязателен. По-видимому, прокариоты возникли в период, когда содержание кислорода в среде было незначительным, а ко времени появления эукариот концентрация кислорода стала достаточно высокой.

Крупным шагом эволюции стало возникновение у организмов фотосинтезирующей способности. Обеднение среды органическими азотистыми соединениями вызвало появление живых существ, способных использовать атмосферный азот. Такими организмами являются фотосинтезирующие азотфиксирующие сине-зеленые водоросли, способные существовать в среде, полностью лишенной органических соединений. Эти организмы осуществляли аэробный фотосинтез и были устойчивы к продуцируемому ими кислороду.

Фотосинтез освободил организмы от борьбы за природные запасы абиогенных органических соединений, количество которых значительно сократилось. При помощи фотосинтеза произошло насыщение атмосферы кислородом в количествах, достаточных для возникновения и развития организмов, у которых энергетический обмен основан на процессе дыхания.

Организменный уровень живых систем явился следующей ступенью эволюции. Это наименьшая неделимая живая система, способная к самостоятельному существованию. Достоверные остатки многоклеточных организмов находят в морских отложениях.

Популяционно-видовой уровень. Во второй половине ХХ века признано, что элементарной единицей эволюции живого является популяция, то есть сообщество особей одного вида, обладающих единой совокупностью генов и занимающих определенную территорию.

Термин «популяция» (от лат. populus — народ, население) был введен датским генетиком В. Иогансоном для обозначения «естественной смеси особей одного и того же вида, неоднородной в генетическом отношении». В дальнейшем этот термин приобрел экологическое значение и им стали обозначать население вида, занимающего определенную территорию. По определению С.С. Шварца (1980), популяция — это элементарная группировка организмов определенного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время в постоянно изменяющихся условиях среды.

Для популяционного уровня характерны:

1. активная или пассивная подвижность всех компонентов популяций. Отсюда периодическое или постоянное перемешивание особей популяции;

2. наличие популяций разных рангов и различных внутрипопуляционных группировок. Существуют как относительно независимые географические популяции, так и местные, или «экологические», популяции, из которых большинство представляют собой временные или сезонные группировки;

3. для популяций характерно совместное существование и функциональное единство, единообразие приспособлений к среде, морфофизиологическая общность и генетическая индивидуальность;

4. пространственная структура популяций имеет определенный самостоятельный регуляторный биологический смысл, проявляющийся в том, что высокая численность особей и устойчивость достигается не только в тех популяциях, которые имеют сложную иерархически-пространственную структуру;

5. характерная черта популяции — ее неоднородность.

Популяция выступает, с одной стороны, как устойчивая целостность, а с другой — характеризуется изменчивостью, одной из причин которой является мутационный процесс. Недостаточный размах изменчивости при быстром изменении среды может привести к вымиранию популяции.

Биоценозный уровень. Популяции — первый надорганизменный уровень организации живого, живые организмы встречаются на Земле не в любом сочетании, они в процессе совместного существования образуют биологические единства или биоценозы (от лат. биос — жизнь, ценоз — общий). Биоценоз — это совокупность популяций всех видов живых организмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни. Биоценоз характеризуется составом входящих в него популяций и тем ареалом суши или водоема, в котором они обитают. Этот термин употребляется главным образом в отечественной литературе, а в зарубежной используется термин «сообщество». В состав биоценоза входит растительное сообщество — фитоценоз, сообщество животных — зооценоз, микробные биокомпоненты — микробиоценозы. Относительно однородное по абиотическим факторам среды пространство, занятое биоценозом, называется биотопом. Компоненты, относящиеся к неживой природе, образующие косное единство — экотоп.

Биогеоценозный уровень. Он характеризуется определенными биологическими — в виде биоценозов — и абиологическими факторами среды. Термин был предложен в 1940 году русским ботаником В. Сукачевым (от греч. bios — жизнь, ge — Земля и koinos — общий).

Под биогеоценозом понимают однородный участок земной поверхности (биоценоз) и косных компонентов, объединенных обменом веществ и энергии.

Биосферный уровень. Термин «биосфера» впервые был использован в 1875 году австрийским геологом Э. Зюссом. В то время биосфера понималась как совокупность всех живых организмов на Земле. Позднее под биосферой стали подразумевать совокупность всех живых организмов вместе со средой обитания, в которую входят вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами. Научную концепцию биосферы и ноосферы создал выдающийся русский ученый академик Владимир Иванович Вернадский (1863-1945). В работах Вернадского развивались мысли о высокой устойчивости основных характеристик биосферы, которая представляет единство геологических и биологических процессов. В.И. Вернадский выдвинул идею о закономерном переходе биосферы в ноосферу (сферу разума). Под ноосферой понимается та область биосферы, которая подвержена человеческой деятельности, и процессы, в которой могут быть в принципе управляемы человеком.

Рассматривая человеческую деятельность как новую мощную преобразующую геологическую силу, В.И. Вернадский придавал особое значения научной мысли человечества как фактору, который гигантски ускоряет преобразование биосферы.