Лекция 1 для специальности – «Медицинская кибернетика» (очная форма обучения) д.б.н. Орлянская Т.Я. к.б.н. Ермакова И.Г. Красноярск 2012 Красноярский государственный медицинский университет им. В.Ф. Войно-Ясенецкого Кафедра Биологии с экологией и курсом фармакогнозии Вводная. Биология – наука о живых системах. Биология как теоретическая основа медицины, её место и задачи в подготовке медицинского кибернетика.

П ЛАН ЛЕКЦИИ 1. Биология как наука о живом, ее место в системе медицинских наук 2. Задачи биологии и методы исследования 3. Основные этапы развития биологии 4. Определение жизни. Фундаментальные свойства живых систем 5. Уровни организации живого

1. Б ИОЛОГИЯ КАК НАУКА О ЖИВОМ, ЕЕ МЕСТО В СИСТЕМЕ МЕДИЦИНСКИХ НАУК

Специалисты по медицинской кибернетике работают на стыке информатики, физики, биологии и медицины.

В РАЧИ - КИБЕРНЕТИКИ Исследуют механизмы трансформации энергии в биологических системах. Изучают электронно-конформационные взаимодействия в биомакромолекулах. Занимаются проблемами, связанными с физическими и физико-химическими механизмами жизненных процессов. Проектируют компьютерные автоматизированные системы медицинского назначения и системы управления здравоохранением.

1 Биология (греч. βιολογία βίο, био, жизнь; др.- греч. λόγος слово, учение) – это наука о живых системах Дословный перевод «наука о жизни» был бы не совсем правильным, ведь жизнь не существует сама по себе – это лишь специфическое свойство определённым образом организованных систем, которые называют живыми.

Система (от др.-греч. σύστημα целое, составленное из частей; соединение) множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство.

С ВОЙСТВА ОБЩИЕ ДЛЯ ВСЕХ СИСТЕМ Целостность система есть абстрактная сущность, обладающая целостностью и определенная в своих границах. Синергичность, эмерджентность (синоним «системный эффект») появление у системы свойств, не присущих элементам системы; принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих её компонентов. Возможности системы превосходят сумму возможностей составляющих ее частей; общая производительность или функциональность системы лучше, чем у простой суммы элементов. В биологии понятие эмерджентности можно выразить так: одно дерево не лес, скопление отдельных клеток не организм. Иерархичность каждый компонент системы может рассматриваться как система; сама система также может рассматриваться как элемент некоторой надсистемы (суперсистемы).

Ж ИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ - ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ Открытые системы постоянно обмениваются веществом, энергией или информацией со средой. Открытые Система закрыта (замкнута), если в нее не поступают и из нее не выделяются вещество, энергия или информация. закрыта

1 Гиппократ «Каждый врач должен понимать природу» «Медицина взятая в плане теории – прежде всего общая биология» Давыдовский И.В. «Закономерность болезней вытекает из основных свойств жизни – из умения приспосабливаться к меняющимся условиям среды. Полнота приспособления и есть полнота здоровья!».

Почему же медику необходимы общебиологические знания?

Объекты биологических исследований - живые организмы Главным объектом деятельности врача является Человек, являющийся частью живой природы

2. З АДАЧИ БИОЛОГИИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Живое отличается необычайным разнообразием и представлено множеством видов живых существ. Выявление и объяснение общего, одинаково верного для всего многообразия организмов – основная задача общей биологии

Живые организмы Неклеточные Царство вирусы Клеточные Прокариоты Ц. Дробянки Эубактерии Архибактерии Эукариоты Ц Грибы Ц. Растения Ц. Животные

Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.

З АДАЧИ БИОЛОГИИ o Выяснение сущности жизни и разработка методов управления жизненными процессами o Охрана биосферы и разработка методов для ее охраны o Изучение молекулярно-генетических механизмов в живых системах o Изучение особенностей проявления биологических закономерностей у человека

М ЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОЛОГИИ 1. Описательный. Самый старый из методов. Дал возможность накопить и систематизировать огромный фактический материал по ботанике, зоологии, анатомии. 2. Сравнительный. Позволяет устанавливать сходства и различия между предметами и явлениями. Он был использован при создании теории эволюции в 19 веке. В биологии родились методы сравнительной анатомии, сравнительной эмбриологии, палеонтологии, которые часто объединяют под общим названием: тройной метод изучения филогенеза. 3. Во второй половине 19 века стал применяться исторический метод (Ч.Дарвин). Метод, позволяющий изучать закономерности появления и развития организмов. 4. Экспериментальный. Этот метод широко распространен с 19 века, особенно в физиологии, в которой стали использовать большое количество экспериментальных методик.

3. О СНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ БИОЛОГИИ

А НТИЧНОСТЬ Основы знаний о животных и растениях были заложены в трудах Аристотеля и его ученика Теофраста. Важную роль сыграли сочинения Диоскорида, составившего описания лекарственных веществ (и среди них около 600 растений), и Плиния, попытавшегося собрать сведения обо всех природных телах в своей «Истории мира». Книга Теофраста ( е до н. э.) «Исследования о растениях» развивала идеи Аристотеля о необходимости формулировать определения на основе сущностных свойств, но на этот раз в отношении растений. полынь черника Из книги «De materia medica»

С РЕДНИЕ ВЕКА Средневековая арабская медицина, наука и философия сделали важный вклад в развитие знания о жизни в VIIIXIII вв., в период так называемого золотого века ислама или исламской аграрной революции. Например, в зоологии Аль-Джахиз ( гг.) уже тогда высказывал идеи об эволюции и пищевых цепях. Он же был ранним представителем географического детерминизма, философского учения о влиянии природных условий на национальный характер и развитие национальных государств. Прославленный врач Авиценна ( гг.) в своем труде «Канон врачебной науки», до XVII в. остававшемся настольной книгой европейских медиков, ввел понятие о клинических исследованиях и фармакологии. Испанский араб Ибн Зухр ( гг.), путём вскрытия доказал, что чесотку вызывает подкожный паразит, а также ввел экспериментальную хирургию и медицинские исследования на животных.

В ОЗРОЖДЕНИЕ В 1543 г. с книги Везалия «De humani corporis fabrica» началось развитие современной анатомии, основанной на вскрытии человеческих тел. Везалий и его последователи постепенно заменили в медицине и физиологии средневековую схоластику эмпиризмом, полагаясь не столько на авторитет учебников и абстрактное мышление, сколько на личный опыт. Художники, такие как Альбрехт Дюрер и Леонардо да Винчи часто работали бок о бок с натуралистами и также интересовались строением тела человека и животных, давая детальные описания их анатомии. Традиции алхимии, поддерживаемые такими учёными, как Парацельс, вносили свой вклад в исследование природы, вдохновляя исследователей на опыты как с минеральными, так и с биологическими источниками фармакологических препаратов.

В ОЗРОЖДЕНИЕ Сравнение скелета птицы и человека из книги Пьера Белона «LHistoire de la nature des oyseaux» (1555)

XVII ВЕК Наиболее важные события XVII века становление основы систематики животных и растений; развитие анатомии. Значительные перемены наблюдаются в области анатомии и физиологии животных и растений. Английский врач Уильям Гарвей ( ), обнаружил венозные клапаны, показал изоляцию правого и левого желудочков сердца и открыл малый круг кровообращения. Уильям Гарвей сделал детальное описание развития цыпленка и ряда других животных и высказал предположение, что все они так или иначе развиваются из яиц, хотя наблюдать яйца непосредственно он и не мог. Итальянский естествоиспытатель Франческо Реди ( ) экспериментально доказал невозможность самозарождения мух из гнилого мяса (затянув часть горшков с гнилым мясом кисеей, он смог воспрепятствовать откладке яиц мухами).

XVII ВЕК Наконец, в XVII веке сформировалась совершенно новая область исследований, связанная с изобретением микроскопа. Опубликованный Робертом Гуком ( ) трактат «Микрография», посвященный описанию наблюдений при помощи микроскопа ряда объектов живой и неживой природы (срез пробки, блоха, муравей, кристаллы соли и др.), а также материальной культуры (острие иглы, лезвие бритвы, точка в книге и др.), вызвал широкий общественный резонанс. Он создал моду на микроскопические исследования, в том числе и биологических объектов. Одним из ревностных любителей - микроскопистов стал голландский ремесленник Антони ван Левенгук ( ). Левенгуку удалось описать и зарисовать целый ряд микроскопических существ (коловраток, инфузорий, бактерий), красные кровяные тельца, сперматозоиды человека.

Первое изображение растительных клеток на срезе пробки в «Micrographia» Роберта Гука (1665)

XVIII ВЕК В области естественной истории наиболее значимыми событиями стали публикация «Системы природы» Карла Линнея и «Всеобщей естественной истории» Жоржа Бюффона. Возникла дисциплина БИОЛОГИЯ Слово «биология» время от времени появлялось в работах естествоиспытателей и до XIX века, однако смысл его был в то время совершенно иным. Карл Линней, например, называл «биологами» авторов, составлявших жизнеописания ботаников. На рубеже XVIII и XIX веков сразу три автора (Бурдах, Тревиранус, Ламарк) использовали слово «биология» в современном смысле для обозначения науки о общих особенностях живых тел. Готфрид Рейнгольд Тревиранус даже вынес его в заглавие научного труда «Biologie; oder die Philosophie der lebenden Natur» (1802).

Таблица Царства животных из первого издания «Systema Naturae» Карла Линнея(1735).

XIX ВЕК Наиболее значимыми событиями первой половины XIX века стали становление палеонтологии, возникновение клеточной теории, формирование сравнительной анатомии и сравнительной эмбриологии, развитие биогеографии. Центральными событиями второй половины XIX века стали публикация «Происхождения видов» Чарльза Дарвина и распространение эволюционного подхода во многих биологических дисциплинах (палеонтологии, систематике, сравнительной анатомии и сравнительной эмбриологии), формирование концепции специфического возбудителя инфекционных заболеваний, доказательство невозможности самозарождения жизни в современных природных условиях.

Набросок родословного древа в «Первой записной книжке о трансмутации видов» Чарльза Дарвина (1837)

XX ВЕК В XX веке начинается бурное развитие генетики. К 1920-м гг. не только формируется хромосомная теория наследственности, но и появляются первые работы, ставящие своей задачей интеграцию нового учения о наследственности и теории эволюции. После Второй мировой войны начинается развитие молекулярной биологии. Во второй половине XX века был достигнут значительный прогресс в изучении жизненных явлений на клеточном и молекулярном уровне.

К ЛАССИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА 1900 г. ознаменовался «переоткрытием» законов Менделя. В гг. Томас Хант Морган и его группа, работавшая на плодовой мушке дрозофиле, разработала «хромосомную теорию наследственности». Де Фриз пытался соединить новую генетическую теорию с теорией эволюции. Он первым предложил термин мутация для изменений генов. В х годах появилась популяционная генетика. В работах Фишера, Холдейна и других авторов теория эволюции, в конце концов, объединилась с классической генетикой в «синтетической теории эволюции».

Схематическое изображение кроссинговера из работы Т. Х. Моргана

Б ИОХИМИЯ К концу XIX в. были открыты основные пути метаболизма лекарств и ядов, белка, жирных кислот и синтеза мочевины. В начале ХХ в. началось исследование витаминов. Улучшение техники лабораторных работ, в частности, изобретение хроматографии и электрофореза стимули ровало развитие физиологической химии, и биохимия постепенно отделилась от медицины в самостоятельную дисциплину. В 1920-х 1930-х годах Ханс Кребс, Карл и Герти Кори начали описание основных путей метаболизма углеводов: цикла трикарбоновых кислот, гликолиза. Между 1930-ми и 1950-ми годами Фриц Липман и другие авторы описали роль аденозинтрифосфата как универсального переносчика биохимической энергии в клетке, а также митохондрий как её главного источника энергии.

С ТАНОВЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ Уэнделл Мередит Стэнли в 1935 г. опубликовал фотографию кристаллов вируса табачной мозаики. Они представляют собой чистые нуклеопротеиды, что убедило многих биологов в том, что наследственность должна иметь физико-химическую природу. В связи с появлением классической генетики многие биологи, в том числе, работающие в области физико- химической биологии, пытались установить природу гена. Для этой цели Фонд Рокфеллера учредил несколько грантов, а чтобы обозначить задачу, глава научного отдела Фонда Уоррен Уивер ещё в 1938 г. использовал термин молекулярная биология. Он и считается автором наименования этой области биологии.

Фотография кристаллов вируса табачной мозаики

Р АЗВИТИЕ БИОХИМИИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ ХХ ВЕКА Расшифровка генетического кода заняла несколько лет. Эта работа была выполнена главным образом Ниренбергом и Кораной и закончена к концу 1960-х годов. Тогда же Перуц и Кендрю из Кембриджа впервые применили рентгеноструктурный анализ в сочетании с новыми возможностями вычислительной техники для исследования пространственной структуры белков. Жакоб и Моно из Института Пастера исследовали строение lac оперона и открыли первый механизм регуляции генов. К середине 1960-х годов основы молекулярной организации метаболизма и наследственности были установлены. Методы молекулярной биологии быстро распространялись в другие дисциплины: генетику, иммунологию, эмбриологию и нейробиологиюю, А идеи о наличии «генетической программы» (этот термин был предложен Жакобом и Моно по аналогии с компьютерной программой) проникли и во все остальные биологические дисциплины.

Р АЗВИТИЕ БИОХИМИИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ ВО В КОНЦЕ ХХ ВЕКА К концу 1970-х годов появились методы определения первичной структуры ДНК, химического синтеза коротких фрагментов ДНК (олигонуклеотидов), введения ДНК в клетки человека и животных (трансфекция). Чтобы работать с генами человека и животных, необходимо было разобраться с различиями в устройстве генов прокариот и эукариот. Эта задача была в целом решена благодаря открытию сплайсинга. К 1980-м годам определение первичных последовательностей белков и нуклеиновых кислот позволило использовать их как признаки для систематики и особенно кладистики; так появилась молекулярная филогенетика. К 1990 г на основании сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей 16S рРНК Карл Вёзе предложил новую систему живых существ: царство монер было разделено на два домена эубактерий и архей, а остальные четыре царства (протист, грибов, растений и животных) объединены в один домен эукариот. Появление в 1980-х годах техники ПЦР (полимеразно цепная реакция) значительно упростило лабораторную работу с ДНК и открыло возможность не только для открытия новых ранее неизвестных генов, но и для определения всей нуклеотидной последовательности целых геномов. В 1990-х годах эта задача была в целом решена в ходе выполнения международного проекта «Геном человека».

4. О ПРЕДЕЛЕНИЕ ЖИЗНИ. Ф УНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ СИСТЕМ

ЖИЗНЬ – питание, рост, одряхление. ЖИЗНЬ – целеустремленность ЖИЗНЬ – это химическая функция А.ЛавуазьеИ.П.Павлов ЖИЗНЬ – сложный химический процесс Аристотель

С УЩНОСТЬ ЖИЗНИ На протяжении всей истории человечества ученые задавались вопросом о сущности жизни «Жизнь – особая и сложная форма движения материи» Опарин Жизнь - есть 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. Ф. ЭНГЕЛЬС

« Жизнь или поток живого вещества существует благодаря взаимодействию трёх потоков: потока вещества, потока энергии, потока информации » Академик Энгельгардт «Живые тела, существующие на Земле представляют собой открытые саморегулирующие и самовоспроизводящие системы, построенные из биополимеров» Волькенштейн

Жизнь - способ существования открытых коллоидных систем, содержащих в качестве своих компонентов соединения белков, нуклеиновых кислот и фосфорорганических соединений, обладающих свойствами саморегуляции и самовоспроизведения, и находящихся в тесном взаимодействии с окружающей средой

С ОВРЕМЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖИЗНИ ЖИЗНЬ – это макромолекулярная, открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ и тонко регулируемый поток энергии.

Ф УНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО Единство химического состава Обмен веществ, энергии и информации Дискретность и целостность Самовоспроизведение, самообновление Наследственность и изменчивость Саморегуляция Рост и развитие Раздражимость и движение Хиральность биополимеров

Единств химического состава. Обмен веществ и энергии. Организмы представляют собой открытые системы, через которые происходит непрерывный поток вещества и энергии. Это приводит к самообновлению на всех уровнях организации живого, конечным результатом которого является рост и развитие организмов. С прекращением обмена веществ, прекращается и жизнь, так как идет разложение белковых молекул. Дискретность. Каждый живой организм состоит из клеток, тканей, органов Целостность. Каждый орган – это часть целого организма. Органический мир целостен, поскольку существование одних организмов зависит от других. В то же время он дискретен, так как складывается из отдельных организмов. Самовоспроизведение (репродукция) и самообновление. Обеспечивает преемственность между сменяющими друг друга генерациями биологических систем. На клеточном уровне это свойство связано с потоком информации. Наследственность. Материальная преемственность между поколениями. Изменчивость. Связана с появлением у организмов признаков отличных от исходных. Саморегуляция. Основана на гомеостазе (постоянство среды) и адаптации. Осуществляется по принципу обратной связи с участием ферментов. Онтогенез. Это индивидуальное развитие, рост организма путем увеличения размеров, усложнения структуры и функций Филогенез. Процесс исторического развития организмов Раздражимость. Это реакция живого на внешние раздражения (свет, температура, звук). У организмов, лишенных нервной системы (растения, простейшие одноклеточные), раздражимость выражается тропизмами, таксисами и настиями. У организмов, имеющих нервную систему, раздражимость проявляется в виде рефлексов.

5. У РОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО

У РОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО 1 ) Молекулярно-генетический уровень, представлен биологическими молекулами: нуклеиновыми кислотами, белками и так далее, находящимися в клетке. На этом уровне осуществляется кодирование и передача наследственной информации, обмен веществ и энергии, изменчивость и так далее. На молекулярном уровне осуществляется превращение энергии в биологически доступную в форме АТФ и переход её в механическую, химическую и другие виды работ. 2) Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен клетками, либо самостоятельными организмами (бактерии, простейшие), либо клетками многоклеточных организмов. 3) Тканевый уровень. Совокупность клеток сходных по структуре и функциям, объединяет ткань. 4) Органный уровень. Элементарной единицей этого уровня является орган – совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям. 5) Организменный (онтогенетический) уровень. Особь на этом уровне рассматривается с момента зарождения до смерти. 6) Популяционно-видовой уровень. Элементарной единицей этого уровня является популяция, характеризующаяся определенным генофондом. 7) Биогеоценотический уровень. Биогеоценозы (экосистемы) являются элементарными системами, где осуществляется круговорот веществ и энергии различными живыми организмами. 8) Биосферный уровень. Высшая форма организации живых систем представлена биосферой. На этом уровне объединяются все круговороты в единый биосферный круговорот веществ и энергии.

Элементарная единица ( ЭЕ ) - это структура или объект Элементарное явление (ЭЯ) – это закономерные изменения ЭЕ в процессе сохранения и развития Жизни

М ОЛЕКУЛЯРНО - ГЕНЕТИЧЕСКИЙ : ЭЕ – ген, ЭЯ – конвариантная редупликация редупликация живых частиц, включающая наследственные вариации. Понятие введено Н. В. Тимофеевым-Ресовским в начале 30-х гг. 20 в., назвавшим его вторым (после принципа естественного отбора Ч. Дарвина) общебиологическим естественноисторическим принципом.

К ЛЕТОЧНЫЙ : ЭЕ - клетка, ЭЯ – клеточный метаболизм (потоки вещества, энергии, информации);

Т КАНЕВОЙ : ЭЕ – совокупность сходных клеток, ЭЯ - становление структуры и функционирования в едином организме ;

О РГАННЫЙ : ЭЕ – органы, ЭЯ - становление их структуры и функции ;

О РГАНИЗМЕННЫЙ ( ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ ): ЭЕ – особь, ЭЯ – закономерности изменения особи в онтогенезе (рост, дифференциация частей, интеграция);

П ОПУЛЯЦИОННО - ВИДОВОЙ : ЭЕ – популяция, ЭЯ – эволюционно-значимые изменения генофонда популяции;

Б ИОГЕОЦЕНОТИЧЕСКИЙ : ЭЕ – биогеоценоз, ЭЯ – круговорот вещества, поток энергии;

Б ИОСФЕРНЫЙ : ЭЕ – живая оболочка земли, ЭЯ - все явления жизни, активно приобретаемые живыми организмами.

У РОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ОТРАЖАЮТ : важнейшие биологические явления; само существование жизни; общую структуру эволюционного процесса

И МЕНА, КОТОРЫЕ НУЖНО ЗНАТЬ Гиппократ Давыдовский И.В. Аристотель Теофраст Диоскорид Плиний Аль-Джахиз Авиценна Везалий Парацельс Уильям Гарвей Франческо Реди Карл Линней Ж.Б. Ламарк Жорж Бюффон Чарльз Дарвин Г. Мендель Т.Х. Морган Н. В. Тимофеев- Ресовский А.И. Опарин Д. Холдейн

? 1. Когда возникла дисциплина БИОЛОГИЯ? 2. Что такое ЖИЗНЬ?