Предмет биологии. Основные свойства живого. Уровни организации живой материи. Формы существования живой материи 1

Биология - наука о жизни (от греч. биос - жизнь, логос - наука) - изучает закономерности жизни и развития живых существ. Термин «биология» был предложен немецким ботаником Г. Тревиранусом в 1802 г. и французским естествоиспытателем Ж.Ламарком в 1809 г. Биология относится к естественным наукам, так же как химия, физика, астрономия, геология. Современная биология представляет совокупность наук о живой природе. Каждая из биологических наук имеет свои объекты изучения, проблемы и использует различные методы исследования. Биология изучает все формы живых организмов, начиная от вирусов и заканчивая человеком, их строение, функции, развитие, происхождение, связь друг с другом и окружающей средой. Система биологических наук сложна что связано с многообразием форм жизни на Земле. 2

Классификация разделов биологии Разделы биологии можно классифицировать по- разному. Общие закономерности живой природы, раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие, изучает общая биология. В зависимости от объекта исследования выделяют специальные науки : Зоологию - о животных; ботанику - о растениях. В пределах каждой из них имеются более узкие дисциплины. Например, в зоологии выделяют протозоологию - науку, изучающую одноклеточных животных; гельминтологию - науку о паразитических червях и заболеваниях, вызываемых ими; арахнологию - науку о паукообразных; энтомологию - науку о насекомых и др. К ботаническим наукам относят микологию - науку о грибах; альгологию - науку о водорослях и др. Классификацией живых существ занимается систематика. 3

В биологии можно выделить дисциплины, изучающие морфологию, т. е. строение организмов, и физиологию, т. е. процессы, протекающие в живых организмах, и обмен веществ между организмом и средой. К морфологическим наукам относят, например, цитологию, исследующую строение клетки; гистологию - науку о тканях; анатомию - о форме и строении отдельных органов, систем и организма в целом. Различают анатомию человека, животных, растений. Изучением сходства и различий в строении животных занимается сравнительная анатомия. 4

Физиологические науки рассматривают процессы жизнедеятельности (функции) животных и растительных организмов, их отдельных систем, органов, тканей и клеток. Физиологию человека и животных подразделяют на несколько дисциплин, тесно связанных между собой. Выделяют общую физиологию, которая исследует общие закономерности реакции организма и его структур на воздействие факторов внешней среды, и частную специальную, которая изучает механизмы реагирования отдельных классов животных (например, птиц или млекопитающих) или отдельных органов (например, печени или легких) на внешние воздействия. Физиология растений исследует общие закономерности физиолого-биохимических процессов, их сущность и взаимосвязь жизни растения с окружающими условиями. 5

Наука о наследственности и изменчивости живых организмов названа генетикой. В зависимости от объекта исследования выделяют генетику растений, животных, микроорганизмов и человека. Изучением закономерностей индивидуального развития занимается эмбриология. Основная задача экологии - исследование взаимодействия между организмами и окружающей средой, позволяющей им выживать, развиваться и размножаться. Антропология - наука о происхождении человека и его рас. Эта наука не только биологическая, но и социальная, так как понимание биологической эволюции человека невозможно без изучения закономерностей развития человеческого общества. 6

Для современной биологии характерны высокая специализация дисциплин, входящих в нее, и комплексное взаимодействие с другими науками, например химией, физикой, математикой, и появление новых сложных дисциплин. Появление новых химических и физических методов исследования в биологии привело к возникновению таких наук, как биохимия, биофизика, молекулярная биология. Биохимия изучает химический состав живых организмов, превращение веществ в процессе их жизнедеятельности; биофизика - физические свойства и процессы в отдельных органах, тканях, клетках и организма в целом. Молекулярная биология исследует основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне. Молекулярная биология возникла в начале 1950-х гг. ХХ в. как результат накопления знаний о структуре и функциях белков и нуклеиновых кислот. Использование комплексных методов исследования позволило изучить структуры и функции генетического аппарата клеток, механизм реализации генетической информации и т.д. Возникли новые дисциплины, такие как молекулярная генетика, молекулярная вирусология и др. 7

Важное место в биологии занимают как теоретические, так и практические направления исследований. Первые позволяют делать открытия, которые обеспечивают успешное развитие прикладных дисциплин, могут быть использованы человеком в практической деятельности. Учитывая научные достижения и высокие темпы развития биологических наук, можно считать, что с середины ХХ в. начался век биологии. Молекулярно-генетический анализ ДНК применяется для идентификации личности, определения родства и других медицинских целей. Методы генной инженерии используют для получения генетически модифицированных продуктов питания, лечения некоторых заболеваний человека. Биологические науки представляют теоретическую основу медицины, агрономии, животноводства и других отраслей народного хозяйства. Например, знание законов генетики и селекции позволяет выводить новые высокопродуктивные породы животных и более урожайные сорта растений. Открытия, сделанные в генной инженерии, могут быть использованы в биотехнологии (для получения биологически активных веществ, антибиотиков, ферментов, гормональных препаратов и др.), при клонировании. 8

Основные свойства живого Химический состав. Живые существа состоят из тех же химических элементов, что и неживые, но в организмах есть молекулы веществ, характерных только для живого (нуклеиновых кислот, белков, липидов, углеводов). Химические вещества, входящие в состав живых организмов, имеют более сложное строение, чем неживая природа. В живых организмах 98 % химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот, водород. В неживой природе кроме кислорода основное значение имеют кремний, железо, магний и др. Химическая организация тесно связана с упорядоченностью структуры и функции любого организма. 9

Основные свойства живого Дискретность и целостность. Жизнь на земле проявляется в виде дискретных форм. Любая биологическая система (клетка, организм, вид и Т.Д.) состоит из отдельных частей, т.е. дискретна. Взаимодействие этих частей образует целостную систему. Например, в состав организма входят отдельные органы, связанные структур но и функционально в единое целое; любой вид организмов включает отдельные особи. Дискретность строения – основа структурной упорядоченности, создающая возможность самообновления и замены некоторых частей системы без нарушения выполняемых ими функций. Например, «изношенные» органеллы клетки (митохондрии и др.) разрушаются и заменяются новыми; нарушения выполняемых ими функций (клеточное дыхание, синтез АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) и др.) не происходит. 10

Основные свойства живого Структурная организация. Живые системы способны приводить в порядок хаотичное движение молекул, образуя определенные структуры. Для живого характерна упорядоченность в пространстве и времени. Это комплекс сложных саморегулирующихся процессов обмена веществ, протекающих в строго определенной последовательности, направленной на поддержание постоянства внутренней среды - гомеостаза. Сложность структурной организации живого прослеживается на всех уровнях. Открытые биологические системы неразрывно связаны с внешней средой, влияющей на процессы, протекающие в них. Например, в сложных сообществах организмов, называемых биоценозами, существуют многообразные взаимодействия и взаимозависимости между особями одного и разных видов, а также с окружающей их внешней средой. 11

Основные свойства живого Обмен веществ и энергии. Живые организмы - это открытые системы, совершающие постоянный обмен веществом и энергией с окружающей средой. Основу этого обмена составляют взаимосвязанные процессы ассимиляции и диссимиляции, которые происходят на клеточном уровне. Ассимиляция (уподобление) наблюдается в том случае, когда живой организм поглощает из внешней среды необходимые вещества и превращает их в вещества, специфичные для него. Этот процесс требует затраты энергии. При диссимиляции (процессе распада сложных веществ на простые) выделяется энергия, необходимая для реакции биосинтеза и конечные продукты распада. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава всех частей организма. При изменении условий среды происходит саморегуляция жизненных процессов по принципу обратной связи, направленная на восстановление постоянства внутренней среды - гомеостаза. Например, продукты жизнедеятельности могут оказывать сильное и строго специфическое тормозящее воздействие нате ферменты, которые составили начальное звено в длинной цепи реакций. 12

Основные свойства живого Самовоспроизведение. Время существования любой биологической системы ограничено. Для поддержания жизни необходим процесс самовоспроизведения, связанный с образованием новых структур, несущих генетическую информацию, которая находится в молекулах ДНК. На молекулярном уровне самовоспроизведение осуществляется на основе матричного синтеза, т.е. новые молекулы синтезируются в соответствии с программой, заложенной в структуре ранее существовавших молекул. Живые существа, имея ограниченный срок жизни, размножаясь, оставляют после себя потомство. Размножение организмов всех видов, обитающих на Земле, поддерживает существование биосферы. 13

Основные свойства живого Наследственность. Молекула ДНК хранит и передает наследственную информацию благодаря матричному принципу репликации, обеспечивая материальную преемственность между поколениями. Наследственность - это способность организмов передавать из поколения в поколение при размножении свои признаки, свойства и особенности развития. Изменчивость. Это приобретение организмом новых признаков и свойств. При передаче наследственной информации иногда возникают различные отклонения, которые приводят к изменению признаков и свойств у потомков. Изменчивость обусловливает создание разнообразного материала для отбора наиболее приспособленных организмов к данным условиям среды. Если эти изменения благоприятствуют жизни, они закрепляются отбором. Так появляются новые виды. Наследственная изменчивость способствует эволюции видов. 14

Основные свойства живого Рост и развитие. Живая форма материи характеризуется индивидyaльным и историческим развитием. Организмы наследуют определенную генетическую информацию о возможности развития тех или иных признаков. Реализация информации происходит в процессе индивидуального развития - онтогенеза. На определенном этапе онтогенеза осуществляется рост организма (увеличение массы), связанный с репродукцией молекул, клеток и других биологических структур и их дифференцировка (появление различий в структуре и функциях). Рост сопровождается развитием, в результате которого возникает новое качественное состояние объекта, образуются новые структуры, способные выполнять определенные функции. Например, у растений развиваются новые ветви, которые отличаются по структуре от других. В неживой природе, например, рост кристалла происходит за счет добавления подобных структур. Историческое развитие - филогенез - сопровождается образованием новых видов. Таким образом возникло все многообразие живых организмов на Земле. 15

Основные свойства живого Раздражимость и движение. Способность живых организмов избирательно реагировать на внешние воздействия специфическими реакциями называют раздражимостью. Животные более активно реагируют на воздействие внешней среды. Растения реагируют медленнее. Реакция высокоорганизованных животных и человека на раздражение происходит посредством нервной системы и называется рефлексом. Раздражимость - универсальное свойство всех живых существ. Организмы отвечают на воздействие движением. Организмы, не имеющие нервной системы и ведущие прикрепленный образ жизни, в ответ на воздействие раздражителя совершают движения, называемые тропизмами. Например, фототропизм - это реакция на свет у растений. Одноклеточные животные и некоторые клетки многоклеточного организма, например лейкоциты, совершают движения, называемые таксисами. Реакцию на воздействие химических веществ называют хемотаксисом. Неживые объекты реагируют на окружающую среду пассивно. Например, если камень толкнуть, он пассивно сдвинется с места. 16

Основные свойства живого Саморегуляция. Проявление всех основных свойств, характеризующих жизнь, связано с саморегуляцией, т.е. способностью живых биологических систем автоматически поддерживать на определенном постоянном уровне физиологические и другие биологические показатели. При саморегуляции управляющие факторы не воздействуют извне на регулируемую систему, а непосредственно формируются в ней. Механизмы саморегуляции разнообразны и зависят от уровня организации живой материи. Саморегуляция всех процессов жизнедеятельности в организмах осуществляется по принципу обратной связи. Недостаток каких-либо веществ активизирует внутренние ресурсы организма, а их избыток откладывается в запас. Например, повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы - инсулина, уменьшающего содержание сахара в ней. В свою очередь снижение уровня глюкозы в крови замедляет выделение гормона в кровяное русло. Избыток глюкозы под влиянием инсулина превращается в гликоген и откладывается в запас. 17

Уровни организации живой материи Молекулярно-генетический уровень. Любая живая система как бы сложно она не была организована, состоит из биологических макромолекул: белков, нуклеиновых кислот и других органических веществ. На молекулярно-генетическом уровне изучают физико- химические процессы, происходящие в организме (синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, липидов, обмен веществ и энергии, копирование генетической информации). Отмечается однообразие дискретных единиц. Четыре азотистых основания входят в состав нуклеиновых кислот. Двадцать аминокислот образуют молекулы белка. Элементарная единица - ген - это участок молекулы ДНК, содержащий определенную генетическую информацию. Элементарное явление - это редупликация (самовоспроизведение) молекул ДНК, которая осуществляется по принципу матричного синтеза. Происходит копирование генетической информации, заключенной в генах, что обеспечивает преемственность и сохранность свойств организмов в последующих поколениях. При редупликации могут возникать различные нарушения, изменяющие генетическую информацию (генные мутации), составляющие основу изменчивости. 18

Уровни организации живой материи Клеточный уровень. Клетка - основная структурная, функциональная и генетическая единица организации всех живых организмов. Элементарное явление - реакции клеточного метаболизма. На клеточном уровне изучают строение клеток и клеточных компонентов. Метаболизм, происходящий на уровне клетки, необходим для осуществления жизни на других уровнях. 19

Уровни организации живой материи Онтогенетический уровень. Элементарной единицей жизни на этом уровне является особь (организм). На онтогенетическом уровне изучают процессы, происходящие в организме, начиная с момента его зарождения и до прекращения жизни: особенности строения, физиологии, механизмы адаптации, поведение и т.д. Изменения, происходящие в течение всего периода индивидуального развития особи, составляют элементарное явление на данном уровне. Характерно многообразие форм, связанное с пространственными комбинациями, которые обусловливают новые качественные особенности организма. Процессы нормального онтогенеза могут быть нарушены необычными воздействиями. Любые физико- химические факторы внешней среды, к которым у организмов нет приспособления, выработанного в процессе эволюции, могут отрицательно влиять на воспроизводство. Например, некоторые химические вещества обладают тератогенным (вызывающим различные уродства) действием. 20

Уровни организации живой материи Популяционно-видовой уровень. Элементарная единица - популяция - это совокупность особей одного вида, населяющих определенную территорию, способных скрещиваться между собой и частично или полностью изолированных от других популяций того же вида. В этой системе происходят элементарные эволюционные преобразования, такие как естественный отбор, мутации. На популяционно-видовом уровне изучают факторы, влияющие на численность популяций, их половой состав, проблемы сохранения исчезающих видов и др. 21

Уровни организации живой материи Биогеоценотический и биосферный уровни. Элементарная структура - биогеоценоз - это исторически сложившиеся устойчивые сообщества растений, животных и микроорганизмов, находящихся в постоянном взаимодействии с компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы, т.е. целостная саморегулирующаяся и самоподдерживающаяся система. Биосфера представляет совокупность всех биогеоценозов, образующих единый комплекс, охватывающий все явления жизни на планете. Элементарное явление на биосферном уровне связано с круговоротом веществ и энергии, происходящим при участии живых организмов. 22

Все уровни организации живого тесно соединены между собой, что свидетельствует о целостности живой природы. Без биологических процессов, осуществляемых на этих уровнях, невозможны эволюция и существование жизни на Земле. На определенном этапе эволюционного развития появился человек. В его жизни главную роль играют социальные взаимоотношения. Но человек и все человечество - это составная часть биосферы, его здоровье зависит от умения приспосабливаться к меняющимся условиям среды. Если эта способность проявляется недостаточно, то могут возникнуть заболевания, затрагивающие различные уровни организации жизни (клеточный, онтогенетический). 23

Формы существования живой материи Все живые организмы, обитающие на Земле, разделены на две группы. К первой относят вирусы и фаги, не имеющие клеточного строения. Ко второй - все остальные организмы, для которых разнообразные клетки являются основной структурной единицей. 24

Формы существования живой материи Неклеточные формы Вирусы - были открыты в 1892 г. Д.И. Ивановским. Он выделил их из растений табака, пораженных мозаичной болезнью. Термин «вирус» предложил ввести в 1899 г. нидерландский ботаник и микробиолог М. Бейеринк. Вирусы - это внутриклеточные паразиты на генетическом уровне, которые распространены повсеместно в природе. Они способны вызывать заболевания растений, животных и человека. К числу вирусных заболеваний человека можно отнести грипп, оспу, краснуху, гепатит, корь, СПИД, таежный энцефалит и др. Вирусы имеют размеры от 20 до 300 нм; наблюдать их можно только с помощью электронного микроскопа. Они могут быть простыми и сложными. Простые вирусы состоят из расположенного в центре носителя генетической информации (ДНК или РНК (2)) и белковой оболочки, называемой капсидом, состоящий из отдельных субъединиц (1). Капсид предохраняет нуклеиновую кислоту от повреждений и содержит рецепторы, обеспечивающие прикрепление вирусных частиц к клетке. 25

Формы существования живой материи Сложные вирусы имеют наружную оболочку, называемую суперкапсидом. Она построена из плазматической мембраны клетки-хозяина. К сложным вирусам относят вирусы герпеса (1), гриппа, СПИДа и др. Вирусы отличаются друг от друга формой капсида и строением оболочки. 26

Вирусы классифицируют по типу нуклеиновых кислот: ДНК- содержащие вирусы, например, аденовирусы, вирусы герпеса, оспы; РНК-содержащие - вирусы гриппа, кори, бешенства, клещевого энцефалита, краснухи, многие вирусы, вызывающие заболевания растений и др. Вирусы могут существовать в двух основных формах: внеклеточной, или покоящейся, и внутриклеточной, или репродуцирующейся (размножающейся). Вне клеток вирионы (вирусные частицы) не обнаруживают никаких признаков жизни: они не способны размножаться, у них отсутствует обмен веществ. Они могут сохранять жизнеспособность продолжительное время, устойчивы к воздействию низких температур, переносят высушивание и высокие дозы радиации. Многие вирусы растений и вирус полиомиелита способны образовывать кристаллы, состоящие из миллионов элементарных вирусных частиц. В таком состоянии вирусы очень устойчивы к внешним воздействиям. Они погибают при воздействии дезинфицирующих веществ, облучении ультрафиолетовыми лучами. Попав в организм, вирусы проникают в клетки и переходят из покоящейся стадии в стадию размножения. Это облигатные паразиты, способные размножаться и развиваться только внутри живых клеток. 27

Неклеточные формы - бактериофаги Группу вирусов, поражающих бактерии, называют бактериофагами. Для них характерна узкая специализация и способность паразитировать только на строго определенных видах бактерий. Строение бактериофагов (рис.) сложнее, чем вирусов. Наиболее сложно устроен бактериофаг кишечной палочки Т4. Он имеет головку (1) и хвостовой отросток. Головка состоит из белковой оболочки и заключенной в ней молекулы ДНК. Внутри хвостового отростка проходит стержень (3), сообщающийся с головкой, а снаружи - чехол (4) отростка, который заканчивается шестиугольной базальной пластинкой (6) с шипами (5) и нитями (7). 28

Клеточные формы Большинство живых организмов, обитающих на Земле, имеют клеточное строение. В процессе эволюции органического мира клетка оказалась единственной элементарной системой, в которой возможно проявление всех закономерностей, характеризующих жизнь. Учитывая особенности строения клеток, все живые организмы делят на прокариоты и эукариоты. 29

Прокариотические клетки. Это организмы с неоформленным ядром, представленные бактериями и сине- зелеными водорослями. Большинство из них имеют малые размеры (до 10 мкм) И округлую, овальную или удлиненную формы клеток. Генетический материал (ДНК) единственной кольцевой хромосомы находится в цитоплазме и не отделен от нее оболочкой. Этот аналог ядра называют нуклеоидом. 30

Эукариотические клетки. Клетка - это основная структурная, функциональная и генетическая единица организации живого, элементарная живая система. Клетка может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы) или в составе тканей многоклеточных животных, растений, грибов. 31

Характеристика прокариотических и эукариотических организмов 32

Характеристика прокариотических и эукариотических организмов 33