Лекция 1. Введение в науку биология

1. Предмет биологии. Классификация биологических наук

2. Методы изучения (исследования) биологии

3. Основные свойства живых существ. Определение понятия «жизнь»

4. Уровни организации живого

Предмет биологии. Классификация биологических наук

Термин «биология» образуется из двух греческих слов (bios - жизнь и logos - учение).

Термин был введен в 1802 году двумя естествоиспытателями - Ж.Б. Ламарком и Г.Р. Тревиранусом, независимо друг от друга.

Биология изучает общие закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие.

Биология - комплексная наука. Разделы науки биологии классифицируются по следующим направлениям:

1) изучению систематических групп (по объектам исследования). Например, зоология, ботаника, вирусология.

В пределах этих наук имеются узкие направления (или дисциплины). Например, в зоологии выделяют протозоологию, гельминтологию, энтомологию и др.

2) изучению разных уровней организации живого: молекулярная биология, гистология и др.

3) свойствам и проявлениям жизни отдельных организмов. Например, физиология, генетика, экология.

4) связям с другими науками (в результате интеграции наук). Это биохимия, биофизика, биотехнология, радиобиология и др.

Методы изучения биологии

Основными методами, которые используются в биологических науках, являются:

1) наблюдение и описание - самый старый (традиционный) метод биологии. Этот метод широко используется и в наше время (в зоологии, ботанике, цитологии, экологии и др.)

2) сравнение, т.е. сравнительный метод дает возможность найти сходства и различия, общие закономерности в строении организмов.

3) опыт или эксперимент. Например, опыты Г.Менделя или работы И.П.Павлова в физиологии.

4) моделирование - создание определенной модели или процессов и их изучения. Например, моделирование условий и процессов (недоступных наблюдению) происхождения жизни.

5) исторический метод - изучение закономерности появления и развития организмов

Основные свойства живого

Живые существа отличаются от неживых тел целым рядом свойств. К основным свойствам живого относятся:

Специфическая организация.

Живые организмы обладают необходимыми структурами, обеспечивающими их жизнедеятельность.

Специфическая организация живых существ проявляется и в особенности химического состава. Из химических элементов большая доля приходится на кислород, углерод, водород, азот. В сумме они составляют более 98% химического состава. Эти элементы образуют в живых организмах сложные органические соединения - белки, жиры, нуклеиновые кислоты, углеводы, которые не встречаются в неживой природе.

Обмен веществ и энергии.

Организмы постоянно совершают обмен веществ и энергии с окружающей средой - это обязательное условие существования.

Обмен веществ и энергии слагается из 2х процессов:

а) синтеза или ассимиляции, или пластического обмен (с поглощением энергии).

б) распада или диссимиляции, или энергетического обмена (с выделением энергии)

Гомеостаз - поддержание постоянства внутренней среды.

В живых существах протекают сложные саморегулирующиеся процессы, которые идут в строго определенном порядке и направлены на поддержание постоянства внутренней среды (например, на постоянство химического состава). При этом организм находится в состоянии динамического равновесия (т.е. подвижного равновесия), что важно при существовании в меняющихся условиях среды.

Размножение

Размножение - свойство организмов воспроизводить себе подобных. Каждое живое существо имеет ограниченный срок жизни, но, оставляя после себя потомство, обеспечивает непрерывность и приемственность жизни.

Способность к развитию - изменение объектов живой природы.

Индивидуальное развитие (онтогенез) - развитие особи в большинстве случаев начинается от зиготы (оплодотворенной яйцеклетки) или от деления материнской клетки до конца жизни. В ходе онтогенеза происходит рост, дифференцировка клеток, тканей, органов, взаимодействие отдельных частей. Продолжительность жизни особей ограничивается процессами старения, приводящими к смерти.

Филогенез - историческое развитие мира живых организмов.

Филогенез - это необратимое и направленное развитие живой природы, которое сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом исторического развития является разнообразие живых существ.

Раздражимость.

Раздражимость - способность организма отвечать на воздействия определенными реакциями. Формой проявления раздражимости является движение.

У растений - тропизм (например, изменение положения листьев в пространстве из-за освещенности - фототропизм).

У одноклеточных животных - таксисы.

Реакции многоклеточных на раздражение осуществляются с помощью нервной системы и называются рефлексами.

Наследственность.

Наследственность - свойство организмов передавать из поколения в поколение характерные признаки вида с помощью носителей наследственной информации, молекул ДНК и РНК.

Изменчивость.

Изменчивость - это свойство организмов приобретать новые признаки. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора.

На основании свойств живого ученые пытаются дать определение понятию «жизнь». Современному состоянию развития биологии лучше всего соответствует определение жизни, данное ученым - биофизиком М.В. Волькенштейном: «Живые тела представляют собой открытые саморегулирующиеся, самовоспроизводящиеся системы, построенные из полимеров - белков и нуклеиновых кислот и поддерживающие свое существование в результате обмена веществ и энергии с окружающей средой».

В это определение входят признаки живого. Каждая клетка и организм в целом являются системой, т.е. представляют собой совокупность взаимодействующих, упорядоченных структур (органоидов, клеток тканей, органов). Живые существа - это открытые системы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с внешней средой. Живые существа осуществляют непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой (поглощение и выделение, ассимиляция и диссимиляция).

Уровни организации живых существ

Жизнь на Земле представляет собой целостную систему, состоящую из различных структурных уровней организации биологических существ. Выделяют несколько основных уровней организации (разделение имеет условный характер)

Молекулярно генетический.

Биология начинается с молекулярного уровня, т.к. атомный уровень не несет следов биологической специфичности. Этот уровень исследует молекулы ДНК, РНК, белки, гены и их роль в хранении и передаче генетической информации, в обмене веществ и превращении энергии. Биология изучает законы, характерные для этого уровня.

Клеточный.

Структурной, функциональной и генетической единицей живых существ является клетка. Вирусы, будучи неклеточной формой организации живого, проявляют свои свойства как живые организмы только внедрившись в клетки.

На клеточном уровне изучают строение клеток и клеточных компонентов, самовоспроизведение, реализацию наследственной информации, обмен веществ и энергии, происходящих на уровне клетки.

Организменный.

Структурной единицей на этом уровне служит организм, особь. Организм - самостоятельно существующая в среде система. На этом уровне протекают процессы онтогенеза. В ходе онтогенеза реализуется наследственная информация в определенных условиях внешней среды, т.е. формируется фенотип организма данного биологического вида.

Популяционно-видовой.

Элементарной единицей вида является популяция. На этом уровне изучается обмен генетической информации при скрещивании, изменения генетического состава популяций, факторы, влияющие на динамику генетического состава популяций, проблемы сохранения исчезающего вида.

Экосистемный.

Структурной единицей этого уровня являются экосистемы, под которыми понимаются участки земной поверхности с определенными природно-климатическими условиями и связанные с ними сообщества микроорганизмов, животных и растений, которые образуют неразделимый взаимообусловленный комплекс. Этот уровень изучает круговорот веществ и поток энергии, которые связаны с жизнедеятельностью всех живых организмов. Экосистемы составляют биосферу - область распространения жизни на Земле. Выделяют социальный уровень, характерный для человека.

Все уровни организации тесно объединены между собой, что свидетельствует о целостности живой природы. Без биологических процессов, которые осуществляются на этих уровнях, невозможно существование жизни на Земле.

Человек и все человечество - составляющая часть биосферы. Здоровье человека зависит от состояния биосферы, от умения приспосабливаться к меняющимся условиям среды. Если эта способность проявляется недостаточно, то могут возникнуть нарушения, которые затрагивают различные уровни жизни (клеточный, организменный).

Л Е К Ц И Я N 1

БИОЛОГИЯ. МЕДИЦИНА. ВВЕДЕНИЕ В МЕДИЦИНСКУЮ БИОЛОГИЮ

1. Биология - наука о жизни.

2. Биология - теоретическая основа медицины.

3. Роль биологии в системе подготовки врача.

4. Сущность, свойства, признаки живого.

5. Уровни организации живых организмов.

Биология - наука о жизни, которая изучает жизнь как особую форму движения материи, законы ее существования и развития. Предметом биологии являются живые организмы, их строение, функции, а также природные сообщества организмов. Термин "биология" впервые был предложен Ж. Б. Ламарком в 1802 году, и происходит от двух греческих слов: bios - жизнь, logos - наука. Вместе с астрономией, физикой, химией, геологией и др. науками, изучающими природу, биология относится к числу естественных наук.

Биология не является единой дисциплиной. Она является совокупностью по меньшей мере 50 дисциплин. К биологии относятся:

а) морфологические дисциплины (анатомия, гистология), описывающие строение организмов;

б) физиологические дисциплины (физиология клетки, животных, растений);

в) общебиологические дисциплины (цитология, генетика, эволюционное учение и т.д.);

д) пограничные дисциплины (биохимия, биофизика, антропология).

Биология как наука накопила огромный фактический материал. По мере развития науки факты постепенно обобщались, осмысливались, создавались гипотезы и теории. Однако никогда не следует забывать, что философские обобщения и выводы всегда обусловлены мировоззрением ученого. Например, К. Линней внес много нового в биологию (предложил сохранившуюся и поныне бинарную номенклатуру), но будучи глубоко религиозным человеком стоял на позициях метафизики и признавал сотворение видов богом. Ч. Дарвин был стихийным диалектиком и явился творцом эволюционной теории. Геккель был горячим последователем Дарвина, пропагандистом его учения, но не будучи до конца диалектиком, Геккель не смог понять разницы между законами развития природы и человеческого общества. В итоге механически перенес положения эволюционной теории Ч. Дарвина на человеческое общество и создал социал-дарвинизм. Он явился в конечном итоге основоположником расизма. Именно поэтому; биология, как любая другая наука всегда являлась ареной острой идеологической борьбы.

По своему мировоззрению ученые с древнейших времен разделились на материалистов и идеалистов. Материалисты признают, что весь мир материален, природа существует объективно, независимо от сознания человека, а сознание - продукт материи - мозга и общественного развития. В противоположность этому идеалисты утверждают, что первичным является нематериальное начало и что весь материальный мир - порождение сознания духа.

Решение задач, которые стоят перед наукой, возможно лишь на базе научного мировоззрения, которое дает правильное представление об окружающем мире.

ЗНАЧЕНИЕ РАЗДЕЛОВ КУРСА БИОЛОГИИ В ПОДГОТОВКЕ ВРАЧА.

Врачебная практика ------------------- Мировоззрение врача

Мед.генетика Биология Эволюционное Человек и Экология

(наследственность клетки учение биосфера с основами

│ │ │ │ │

│ │ │ │ │

болезни человека клетки онтогенеза адаптации заболевания

пороки ─────┘

развития

Биология - наука о жизни. Познание сущности жизни - одна из основных задач общей биологии. Среди первых попыток человечества объяснить возникновение жизни на Земле следует назвать гипотезы самозарождения, основоположником которых был Аристотель. Он полагал, что живое возникло из неживого. Однако движущей силой этого процесса считал божественную силу - энтелехию. Мыслители древнего мира и средневековья считали, что рыбы и лягушки возникают из ила, черви из гниющего мяса, гусеницы из земли и т.д. Известный биолог и врач XVI в. Ван Гельмонт был убежден, что мыши зарождаются из белья и зерна. Основоположник химии Парацельс предлагает рецепт изготовления человека (гомункулюса) в колбе.

Борьба против представления о самозарождении организмов происходила в течение многих веков. Первое экспериментальное опровержение теории самозарождения было сделано Франческой Риди в опытах с гниющим мясом. Им было показано, что если не дать возможности мухам садиться на мясо, личинки ("черви") не развиваются.

С открытием микроорганизмов сторонники теории самозарождения стали говорить о произвольном возникновении микробов. Против этих утверждений выступили в 1775г. Тереховский (опыты с крашением прокипяченных или промороженных настоев), Спаланцани в 1765 г. (опыты со стерилизацией жидкостей). Тем не менее, в 1859 г. француз Пуше привел данные, что в прокипяченных питательных бульонах происходит самозарождение бактерий. Против Пуше выступил Луи Пастер, который доказал, что питательные бульоны, если в них нет микроорганизмов, могут сохраняться годами и в них не обнаруживаются никакие признаки жизни. После опытов Пастера стало очевидным, что существующие формы жизни, какими бы простыми они не были, не могут возникнуть путем самозарождения. Эти факты явились основанием для выдвижения тезиса извечного существования жизни во Вселенной и ее заноса на Землю из космоса. В 1895г. с широкой аргументацией этой точки зрения выступил С. Аррениус, назвав ее теорией панспермии. При этом вопрос о первичном возникновении жизни на космических телах не затрагивался. Широкое хождение имели предположения о заносе зародышей живых организмов на Землю с метеоритами. Однако все попытки обнаружить в метеоритах какие-либо признаки живого не увенчались успехом. Критикуя взгляды сторонников этеризма (лат.acternus - вечный) Энгельс писал: "Вышеприведенная гипотеза о "вечной жизни" и о занесении извне ее зародышей предполагает:

1)вечность белка,

2)вечность первичных форм, из которых может развиваться все органическое. И то, и другое недопустимо" (Диалектика природы).

Принципиальное диалектико-материалистическое решение вопроса о появлении жизни на Земле было дано Энгельсом, который писал: "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел" (Антидюринг). Т.о. Энгельс охарактеризовал жизнь как одну из форм движения материи, а именно биологическую форму: более высокую, чем механическая, физическая, химическая. Энгельс показал, что развитие живого из неживого является естественной закономерностью. Жизнь возникла из неживого в процессе эволюции нашей планеты на определенном этапе ее существования. Основным субстратом живого на Земле является белок. Уровень развития науки того времени позволял полагать, что основным субстратом жизни является белок. Однако, в свете современных представлений под субстратом жизни понимают комплекс веществ, принадлежащих к двум классам биополимеров - белкам и нуклеиновым кислотам. В связи с этим предпринимались попытки "по-новому" определить понятие "жизнь". Все попытки не изменили сути и формулировки данной Энгельсом. Наиболее удачное определение жизни дал Дж. Бернал: "Жизнь - это функция взаимодействия белков и нуклеиновых кислот на Земле". Этим определением допускается наличие во Вселенной других форм жизни. Итак, субстрат жизни - белки и нуклеиновые кислоты.

Живое характеризуется целым рядом важнейших признаков:

1.Обмен веществ и энергии. Энгельс в своем определении подчеркнул, что основное свойство живого - обмен веществ. Любой живой организм можно представить как открытую систему, поддерживающую непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой.

ЖИВОЕ КАК ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА

вещества из внешней среды

┌──────────┘ └─────────────┐

АССИМИЛЯЦИЯ │ │ ДИССИМИЛЯЦИЯ

┌─────┬───────┐ │ │ ┌────────────────┐

Гетеро- │ │ │ │Аэробная │

трофы │ │ │ │ Анаэробная

Миксотрофы │ └──────────┐ ┌────────────┘

Аутотрофы продукты

Метаболизма

2. Структурная организация. Живое построено из тех же химических элементов, что и неживое, но характеризуется сложностью химических соединений, обусловленной определенной упорядоченностью на молекулярном уровне. Структурная организация - характерное свойство живого на всех уровнях его организации. Типичный пример упорядоченной структуры - хромосома.

3. Дискретность и целостность. Органический мир целостен, т.к. составляет систему взаимосвязанных частей, и в то же время он дискретен (лат.discretus - прерывистый). Органический мир состоит из отдельных единиц - организмов или особей. Каждый организм состоит из клеток, последняя из субклеточных структур (органелл), но функционирует как единое целое.

4. Репродукция - воспроизведение себе подобного.

5. Наследственность и изменчивость - важнейшие свойства живого, связанные с передачей потомству от родителей наследственных признаков организма и с возможностью их изменяться под влиянием факторов среды.

6. Рост и развитие - свойство организма расти и развиваться за счет деления клеток и их дифференцировки.

7. Раздражимость и движение. Свойство живого, благодаря которому организмы непрерывно контактируют с окружающей средой,

другими организмами. У одноклеточных оно проявляется в виде таксисов, у растений - в виде тропизмов, у высших животных - в виде рефлексов.

8. Внутренняя регуляция и гомеостаз. Любой организм, являясь открытой системой, сохраняет в то же время постоянство своей внутренней среды (гомеостаз) благодаря нейрогуморальной регуляции гомеостаза.

Энгельс рассматривал жизнь как форму движения материи в неживой природе. Современное естествознание, руководствуясь диалектико-материалистической методологией, пошло еще дальше по пути выявления форм движения материи и исходит из представлений о разных уровнях организации живого, т.е. о различном проявлении форм движения материи даже в пределах органического мира.

Выделяют пять уровней организации живого:

1. Молекулярно-генетический. Элементарными структурами этого уровня являются центральные управляющие системы - коды наследственной информации, передаваемые от поколения к поколению, а элементарными явлениями - воспроизведение этих кодонов по принципу матрицы и производство первичных генных структур.

2. Клеточный. Элементарной структурной единицей этого уровня является клетка, а элементарным эволюционным явлением - деление клеток.

3. Онтогенетический. Элементарные структуры этого уровня организмы, а элементарные явления - их онтогенез и неизвестные еще в деталях механизмы, которые управляют упорядоченным во времени и пространстве индивидуальным развитием многоклеточных организмов.

4. Популяционно-эволюционный. Здесь элементарными структурами являются популяции любого вида живых организмов, а элементарное явление - направленное изменение их генетического состава. Последнее ведет к возникновению приспособлений и в итоге к видообразованию на основе естественного отбора.

5. Биосферно-биогеоценотический. Элементарными структурами этого уровня являются биогеоценозы, а элементарными явлениями переходы из одного состояния, временного, неустойчивого равновесия в другое. Принципиальная неделимость биосферы обуславливает необходимость решения многих проблем охраны природы и использования ее ресурсов.

Современная биология находится на полосе открытий. Во многом именно от успехов на биологическом фронте естествознания зависят важные аспекты будущего человечества.

Зададимся следующим вопросом. Какую информацию нужно сообщить разумному и заинтересованному, но несведущему в биологии человеку, чтобы он начал более-менее разбираться в этой науке и мог понимать значение актуальных биологических открытий?
С сегодняшнего дня я попробую начать серию постов, отвечающих на этот вопрос. Предполагаемого адресата изложенной в них информации я берусь определить как "образованного небиолога". То есть это человек, имеющий мало-мальскую подготовку в какой-то другой области (с соответствующий привычкой разбираться в сложных вещах), но не имеющий никакой химической или биологической базы. Уровня "когда-то что-то учил в школе, но все забыл" для начала вполне хватит. Отбор материала, естественно, мой, и за пределами совсем уж азбуки он довольно субъективен. Там, где упоминается какая-то спорная или новая информация, я ставлю ссылки на статьи. Что касается названия всего цикла постов, то его можно было бы определить как "Введение в биологию", но на самом деле я бы добавил к слову "биология" прилагательное "клеточная", потому что волей-неволей 90% тех фактов, которые для начала нужно усвоить, относятся именно к клетке и ее составным частям.

Тема I
УГЛЕРОД

“Ничто в биологии не имеет смысла иначе как в свете эволюции” (). Этот тезис можно поставить в начале любого биологического учебного курса (по крайней мере вводного, потому что слушателям продвинутых курсов напоминать такие очевидности уже не требуется). Понимать его надо совершенно буквально, как руководство к действию. Любая особенность любой живой системы есть результат какого-то исторического события. Мы очень скоро увидим, что это касается даже такой в буквальном смысле элементарной вещи, как то, из каких атомов живые организмы состоят. А уж тем более - всего более сложного.
Вначале бросим беглый взгляд на эволюцию Вселенной в целом:

Временная шкала тут совершенно не в масштабе, но это пока неважно. Гораздо важнее, что эта схема выстраивает в единую последовательность события разного характера - от Большого взрыва до начавшейся на Земле в XVIII веке промышленной революции. Такой подход, объединяющий в единое повествование всю эволюцию от физической и химической до социальной, называется "большой историей" (Big History); вот примерно в его русле мы и будем двигаться. Пока отметим для себя даты всего лишь двух событий: Большого взрыва - то есть, по общепринятой космологии, возникновения Вселенной как таковой - и появления жизни на Земле. Большой взрыв произошел примерно 13,8 миллиардов лет назад, а первые следы жизни на Земле имеют возраст 3,8 миллиарда лет. Это означает, что к моменту появления жизни в Солнечной системе возраст Вселенной уже составлял около 10 миллиардов лет. И все это время там происходили разные события, иные из которых как раз и создали нужные для существования жизни предварительные условия. Жизнь не случайно возникла далеко не сразу; скорее всего, она могла бы и не возникнуть вообще, если бы физические процессы пошли немного другими путями.
Вот из чего состоит современная Вселенная:

Слово "современная" надо подчеркнуть, потому что несколько миллиардов лет назад соотношения совершенно точно были другими. На диаграмме мы видим три составляющих:
● Обычная материя, состоящая из атомов (4,9%).
● Темная материя, не проявляющая никаких наблюдаемых свойств, кроме гравитационных (26,8%).
● Темная энергия, про которую вообще неизвестно, связана ли она хоть с какими-нибудь телами (68,3%).
Все известные нам живые системы состоят из атомов. Примеры чего-то иного пока можно найти только в фантастической литературе - например, у Станислава Лема в "Солярисе" описаны живые организмы, собранные из нейтрино. А занимаясь обычной биологией, нам придется иметь дело исключительно с атомами и их устойчивыми комбинациями, то есть молекулами.
Итак, атомы. Уже довольно давно известно, что любой атом состоит из электронов, протонов и нейтронов:

Протоны и нейтроны образуют ядро атома, электроны - внешнюю оболочку. Протоны электрически заряжены положительно, электроны - отрицательно, нейтроны заряда не имеют; по величине отрицательный заряд электрона строго равен положительному заряду протона. Таким параметром, как число нейтронов, мы в большинстве случаем можем спокойно пренебречь (если только не будет специального разговора об изотопах). Электроны и протоны, наоборот, важны для нас с самого начала. Число протонов - параметр, который иначе называется атомным номером (Z) и определяет положение данного типа атомов в периодической системе элементов, то есть в таблице Менделеева. Число электронов обычно равно числу протонов. Если число электронов вдруг отличается от числа протонов, значит, мы имеем дело с заряженной частицей - ионом .
На картинке выше изображен приведенный исключительно для примера атом гелия (Z=2), в состав которого входят два протона, два нейтрона и два электрона. Самый простой атом - водород (Z=1) - состоит из одного протона и одного электрона; нейтронов в нем может и вовсе не быть. Если лишить атом водорода единственного электрона, останется положительно заряженный ион, представляющий собой не что иное, как протон.

Самый важный для нас тип взаимодействия атомов - ковалентная связь , образуемая общей электронной парой (по одному электрону от каждого атома). Электроны этой пары принадлежат обоим атомам сразу. Кроме одинарных, ковалентные связи бывают двойными (в биологии довольно часто) или тройными (в биологии редко, но все-таки возможно).

Гораздо реже ковалентной (по крайней мере в биологии) встречается ионная связь , представляющая собой электрическое притяжение самостоятельных заряженных частиц, то есть ионов. Положительный ион (катион) и отрицательный ион (анион) притягиваются друг к другу. Cам термин “ион” предложен Майклом Фарадеем (Michael Faraday) и происходит от греческого слова, означающего “идущий”. Пример ионной связи - поваренная соль NaCl, формулу которой вполне можно переписать как .

Чтобы в первом приближении разобраться в устройстве живой клетки, достаточно знать всего пять химических элементов: водород (H), углерод (C), кислород (O), азот (N) и фосфор (P). Самое главное, что нам необходимо знать о любом элементе - это его валентность , то есть число ковалентных связей, которые может образовать данный атом. Валентность водорода равна 1, валентность углерода 4, валентность азота 3, валентность кислорода 2 и валентность фосфора 5. Эти числа надо просто запомнить. У некоторых перечисленных элементов иногда встречаются и другие валентности, но, занимаясь биологией, это можно игнорировать во всех случаях, кроме немногочисленных особо оговоренных.


Вот они, основные химические слагаемые жизни. Валентности этих элементов настолько важны, что повторим их еще раз: водород - 1, углерод - 4, кислород - 2, азот - 3, фосфор - 5. Каждая черточка обозначает одну ковалентную связь.

Не подлежит сомнению, что большинство атомов во Вселенной - это атомы водорода и гелия. Числа на приведенной картинке относятся не к современной Вселенной, а к состоянию примерно 13 миллиардов лет назад (Caffau et al., 2011). Но и сейчас все элементы, кроме водорода и гелия, составляют в сумме не больше 2% атомов. Между тем очевидно, что из водорода, валентность которого всего лишь 1, и гелия, который вообще неохотно образует химические связи, никаких сложных молекул не построишь.

Посмотрев на график обилия химических элементов во Вселенной, мы сразу же видим, что самые распространенные после водорода и гелия элементы - кислород, углерод и азот.
По горизонтальной оси на этом графике атомный номер, по вертикальной - распространенность элемента в логарифмическом масштабе - это означает, что “ступенька” на вертикальной оси означает разницу не на единицу, а в 10 раз. Очень хорошо видно, насколько водород и гелий превосходят своим количеством все другие элементы. В области лития, бериллия и бора - провал, потому что эти ядра неустойчивы по своим физическим свойствам: они относительно легко синтезируются, но так же легко и распадаются. Ядро железа, наоборот, крайне устойчиво; многие ядерные реакции на нем заканчиваются, поэтому железо дает высокий пик. Но самые распространенные после водорода и гелия элементы - все равно кислород, углерод и азот. Именно те, которые стали химическими “кирпичиками” жизни. Вряд ли это случайность.
Бросается в глаза, что предыдущий график отчетливо зубчатый. Элементы с четными номерами в среднем встречаются намного чаще, чем элементы “примерно того же достоинства” с нечетными. Первым это отметил Уильям Дрэпер Харкинс (William Draper Harkins), и он же предложил разгадку: дело в том, что ядра тяжелых элементов образуются в основном за счет слияния более простых ядер. Очевидно, что при объединении двух одинаковых ядер в любом случае получится элемент с четным числом протонов, то есть с четным атомным номером (Harkins, 1931). Дальше образовавшиеся ядра комбинируются друг с другом - например, горение гелия (Z=2) дает сначала неустойчивые короткоживущие ядра бериллия (Z=4), потом ядра углерода (Z=6), а потом и кислорода (Z=8).

До начала звездообразования во Вселенной были только водород, гелий и следовые количества лития (у которого Z=3). Все элементы тяжелее лития синтезируются внутри звезд и распространяются в результате взрывов сверхновых (Burbidge et al., 1957). Это означает, что живым системам было просто не из чего образоваться, пока не закончился жизненный цикл хотя бы первого поколения звезд и эти звезды не взорвались.

Вот авторы знаменитой статьи о синтезе химических элементов в звездах: Маргарет Бербидж (Eleanor Margaret Burbidge), Джеффри Бербидж (Geoffrey Ronald Burbidge), Уильям Фаулер (William Alfred Fowler) и Фред Хойл (Fred Hoyle). Эту статью часто называют по инициалам авторов “B 2 FH” ("бэ-квадрат-эф-аш"). На фотографии запечатлен 60-й день рождения Фаулера - коллеги подарили ему действующую модель паровоза.
Статья B 2 FH опровергла гипотезу Георгия Гамова (George Gamov), который считал, что ядра всех элементов синтезировались прямо во время Большого взрыва и с тех пор их концентрации остаются постоянными. На самом деле гораздо вероятнее, что в первые миллиарды лет после Большого взрыва Вселенная была водородно-гелиевой, а потом стала постепенно обогащаться тяжелыми элементами с помощью сверхновых звезд. "Тяжелыми элементами" мы сейчас называем все, что тяжелее гелия или, в крайнем случае, лития.

Примерно так выглядит простейшая схема влияния сверхновых звезд на элементный состав Вселенной. Нельзя не заметить, что теория B 2 FH (если она верна) сама по себе является полностью достаточным доказательством эволюции, и была бы таковым, даже если бы никаких чисто биологических доказательств не существовало. В древней водородно-гелиевой Вселенной никакой жизни возникнуть не могло. Эволюция - это космологический факт, имеющий такое же отношение к физике и химии, как и к биологии.

Химия известных нам живых систем целиком основана на соединениях углерода. Самое простое из них - метан (CH 4), молекула которого изображена здесь четырьмя разными способами. На первой картинке показаны очертания электронных облаков. На второй - расположение атомов в объеме и углы между химическими связями. На третьей - электронные пары, которые эти связи образуют. А четвертая картинка - это простейшая графическая формула. Каждая ковалентная связь на ней обозначена черточкой. Дальше мы в основном именно такими формулами и будем пользоваться.

Соединения, состоящие только из углерода и водорода, называются углеводородами . Как правило, они биохимически неактивны. Большинство соединений углерода, участвующих в обмене веществ, содержит как минимум еще и кислород, то есть к углеводородам не относится. На картинке изображены четыре самых простых углеводорода - метан (CH 4), этан (C 2 H 6), пропан (C 3 H 8) и бутан (C 4 H 10).

Четырехвалентность углерода открыл Фридрих Август Кекуле (Friedrich August Kekule). Вскоре он применил это знание, определив структурную формулу бензола (C 6 H 6); именно в процессе этой работы ему приснился знаменитый сон про несколько переплетающихся змей. Но значение открытий Кекуле на самом деле гораздо больше. Четырехвалентность углерода - один из важнейших фактов, помогающих понять, как в целом устроены живые системы.
Что касается молекулы бензола, то она, как видим, содержит шесть атомов углерода, соединенных в шестичленный цикл с чередующимися одинарными и двойными связями. Однако на самом деле все шесть связей между атомами углерода в бензоле одинаковы: электроны, образующие двойные связи, делокализованы (“размазаны”) между ними, и в результате можно сказать, что все эти связи - как бы "полуторные".

Структура, заключенная тут внутри уробороса, называется бензольным кольцом или ароматическим ядром . Атомы углерода и водорода в нем уже не подписаны, поскольку их расположение очевидно. Ароматическое ядро часто входит в состав других молекул, в том числе и биологически активных. Обозначать его принято шестиугольником с кругом внутри - этот круг символизирует систему из трех взаимодействующих между собой двойных связей.

Соединения углерода, включающие группу -OH, называются спиртами . Саму группу -OH принято называть гидроксильной . Общую формулу спирта можно записать как R-OH, где R - любой углеводородный радикал (радикалом в химии называют изменяемую часть молекулы). На картинке - два самых простых спирта: метиловый (метанол) и этиловый (этанол).

Вот тут перед нами глицерин - пример спирта, в котором гидроксильных групп несколько. Такие спирты принято называть многоатомными . Глицерин - трехатомный спирт. С его участием образуются жиры и некоторые другие важные для клеток соединения.

Этанол (слева) и диметиловый эфир (справа) состоят из одинакового набора атомов (C 2 H 6 O), но имеют разную структуру. Такие соединения называются изомерами .
Класс соединений, к которому относится диметиловый эфир, называется простыми эфирами . Они имеют общую формулу R 1 -O-R 2 , где R - углеводородные радикалы (во всех подобных случаях они могут быть как одинаковыми, так и разными).

Еще два важных класса соединений - альдегиды (общая формула R-CO-H) и кетоны (общая формула R 1 -CO-R 2). R (радикал) тут может обозначать любую углеводородную цепочку. И альдегиды, и кетоны включают группу -CO-, состоящую из углерода с присоединенным к нему двойной связью кислородом и двумя свободными валентностями. Если хотя бы одна из этих валентностей занята водородом, то перед нами альдегид, если же обе заняты углеводородными радикалами - то кетон. Например, самый простой из всех возможных кетонов называется ацетоном и имеет формулу CH 3 -CO-CH 3 .

Многоатомный спирт, одновременно являющийся альдегидом или кетоном, называется углеводом . Например, глюкоза - типичный углевод, альдегидоспирт с цепочкой из шести атомов углерода и пятью гидроксильными группами. И фруктоза - тоже типичный углевод, тоже имеющий цепочку из шести атомов углерода и пять гидроксильных групп, но она не альдегидоспирт, а кетоноспирт. При этом легко убедиться, что глюкоза и фруктоза - изомеры с общей формулой C 6 H 12 O 6 . А вот если у глюкозы (или ее изомера) один углерод отнять, то может получиться рибоза - альдегидоспирт с пятью углеродами в цепочке, четырьмя гидроксильными группами и формулой C 5 H 10 O 5 . Как видим, все довольно просто.
Примечание. Постоянные оговорки насчет изомеров связаны с тем, что у углеводов развит один особый вид изомерии - оптическая изомерия, которая связана исключительно с пространственным расположением атомов. На обычных графических формулах этот вид изомерии вообще не отображается, и это может привести к тому, что одна и та же графическая формула будет соответствовать нескольким совершенно разным по свойствам веществам. Но пока что мы про оптическую изомерию ничего не знаем и можем эти факты со спокойной душой игнорировать. Сказано глюкоза - значит глюкоза. Набор функциональных групп у нее уж точно такой, как тут нарисовано, а как они повернуты, нас сейчас не волнует.

Исключительно важным и интересным классом соединений являются карбоновые кислоты (R-COOH). Как видно из формул, в состав любой карбоновой кислоты по определению входит карбоксильная группа -CO-OH. Почему такие соединения называются именно "кислотами", мы разберемся позже; пока что будет достаточно запомнить название "карбоновые кислоты" как нечто самоценное, считая слово "кислота" частью этого названия. Самая простая карбоновая кислота - муравьиная, у которой вместо радикала вообще водород. Но обычно радикал карбоновой кислоты представляет собой более или менее сложную углеводородную цепочку. Уксусная кислота, имеющая в радикале всего один атом углерода, нарисована тут двумя способами, которые обозначают ровно одно и то же.
Обведенная на формулах зеленой рамкой группа -CH 3 называется метильной . Она встречается не только в кислотах, а вообще во всевозможных классах веществ, где есть хоть какие-то углеводородные радикалы; мы уже видели ее ну хотя бы в ацетоне, где таких групп две. Можно сказать, что метильная группа - это простейший химический "кирпичик", на который разные более-менее сложные соединения углерода могут различаться между собой. Каких-то особых самостоятельных свойств она не имеет. С другой стороны, даже отличие на одну метильную группу иногда бывает очень важно - мы это увидим.


Вот тут перед нами две относительно экзотические, но вполне реально встречающиеся в живых организмах карбоновые кислоты. Их формулы нарисованы в немного разном стиле, к этому стоит привыкнуть. Щавелевая кислота, молекула которой представляет собой две соединенные встык карбоксильные группы, действительно содержится в щавеле, ревене и некоторых других растениях. Бензойная кислота имеет в качестве радикала ароматическое ядро; она тоже содержится во многих растениях, например в бруснике и клюкве, а также служит широко распространенным консервантом (пищевая добавка E210).

Карбоновая кислота и спирт могут вступить в реакцию, при которой от карбоксильной группы отщепляется -OH, а от спиртовой -H. Эти отщепленные фрагменты тут же образуют воду (формула которой H-O-H или H 2 O), а остатки кислоты и спирта соединяются в сложный эфир (общая формула R 1 -CO-O-R 2). Среди биологически активных соединений сложных эфиров достаточно много. Надо заметить, что сложные эфиры и простые эфиры - это совершенно разные классы веществ; по-английски, например, они обозначаются разными корнями - соответственно ester (сложный эфир) и ether (простой эфир). На картинке для примера показан сложный эфир под названием метилбензоат.

А теперь посмотрим вот на эту великолепную молекулу. Лимонная кислота, формально говоря, является одновременно кислотой и спиртом - она имеет при трехуглеродной цепочке три карбоксильные группы (как кислота) и одну гидроксильную группу (как спирт). Такие соединения называют спиртокислотами или (чаще) оксикислотами. Лимонная кислота взята здесь исключительно для примера, хотя вообще-то она интересна и сама по себе, как важнейший промежуточный продукт в клеточном дыхании.
Если вам кажется, что много формул - не пугайтесь. Дальше будет еще больше. В этой области чем больше формул - тем понятнее. Так что я сознательно устраиваю тут "зоологический сад молекул", подобно "зоологическому саду планет", о котором говорил Гумилев.

Биология – наука о жизни как особом явлении во всех ее пространственно-временных проявлениях.

Предмет изучения биологии – все проявления жизни, а именно:

1. Жизнь как особое явление, эволюция живых объектов

2. Знаковые биологические единицы (ген, клетка, особь)

3. Естественные группы организмов (популяция, вид)

4. Исторически сложившиеся сообщества организмов разных видов (биоценоз)

5. Человек как биологический объект

6. Многообразие вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их происхождение, индивидуальное развитие

7. Биотехнологические конструкции (генная, тканевая, органная инженерия; терапевтическое клонирование)

Задачи биологии состоят в изучении общих и частных закономерностей, присущих жизни на всех ее уровнях, во всех ее проявлениях и свойствах: обмена веществ и энергии, размножения, наследственности и изменчивости, роста и развития, раздражимости, дискретности, саморегуляции, движения и т.д.

При этом в биологии используется ряд методов, характерных для естественных наук.

К основным методам биологии относятся:

НАБЛЮДЕНИЕ, позволяющее описать биологическое явление:

1. Невооруженным глазом или с использованием оптических и иных приборов (лупа, микроскоп, электронный микроскоп, дифференциальное центрифугирование, рентгеноструктурный анализ);

2. Визуализация живых структур и процессов (методы лучевой диагностики – рентген, УЗИ, томографии).

ЭКСПЕРИМЕНТ, в ходе которого исследователь искусственно создает ситуацию позволяющую выявить глубоко лежащие (скрытые) свойства биологических объектов:

1. In Vivo – используется живое существо. Особенность – этические проблемы;

2. In Vitro – используются живые биологические объекты (клетки, ткани, органные структуры), выращиваемые вне организма в условиях культуры. Особенность – проблемы интерпретации;

3. Природные “эксперименты” – мутации (закон гомологичных рядов Н.И.Вавилова), уродства.

МОДЕЛИРОВАНИЕ:

1. математическое;

2. компьютерное (дизайн лекарств, в т.ч. на наноносителях);

3. биологическое (создание живых форм (клеток, организмов) с заданными свойствами - технологии knock in, knock out и др.).

СПОСОБЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

сравнительный, дающий возможность найти закономерности, общие для разных явлений;

исторический метод, позволяющий на основе данных о современном мире живого и о его прошлом, раскрывать законы развития живой природы.

Биология является системой наук, которые могут быть классифицированы различным образом.

1. По предмету изучения: ботаника, зоология, микробиология и т.д.

2. По общим свойствам живых организмов:

Генетика (закономерности наследственности);

Биохимия (превращения вещества и энергии);

Экология (взаимоотношения живых существ и их природных сообществ с окружающей средой) и т.п.;

Молекулярная биология;

Цитология;

Гистология и т.п.

Приведенные классификации, разумеется, не носят абсолютного характера. Так, например, исследование клетки (цитология) в настоящее время немыслимо без изучения биохимии клетки. Ряд возможных дифференциаций биологии как науки можно видеть на ниже приведенном примере.

Одновременно с такой интерпретацией биологии, биологию можно рассматривать и как интегрирующую науку.

Можно также говорить о трех магистральных направлениях биологии:

1. Традиционная или натуралистическая биология. Ее объектом изучения является живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности – «Храм природы», как называл ее Эразма Дарвина. Истоки традиционной биологии восходят к средним векам, хотя вполне естественно здесь вспомнить и работы Аристотеля, который рассматривал вопросы биологии, биологического прогресса, пытался систематизировать живые организма («лестница Природы»). Оформление биологии в самостоятельную науку – натуралистическую биологию приходится на 18-19 века. Первый этап натуралистической биологии ознаменовался созданием классификаций животных и растений. К ним относятся известная классификация К. Линнея (1707 – 1778), являющаяся традиционной систематизацией растительного мира, а также классификация Ж.-Б. Ламарка, применившего эволюционный подход к классифицированию растений и животных. Традиционная биология не утратила своего значения и в настоящее время. В качестве доказательства приводят положение экологии среди биологических наук, а также во всем естествознании. Ее позиции и авторитет в настоящее время чрезвычайно высоки, а она в первую очередь основывается в принципах традиционной биологии, поскольку исследует взаимоотношений организмов между собой (биотические факторы) и со средой обитания (абиотические факторы).

2. Функционально-химическая биология. Особенность физико-химической биологии – широкое использование экспериментальных методов, которые позволяют исследовать живую материю на субмикроскопическом, надмолекулярном и молекулярном уровнях, что сближает биологию с точными физико-химическими науками. Одним из важнейших разделов физико-химической биологии является молекулярная биология – наука, изучающая структуру макромолекул, лежащих в основе живого вещества. Биологию нередко называют одной из лидирующих наук 21-го века.

3. Эволюционная биология. Это направление биологии изучает закономерности исторического развития организмов. В настоящее время концепция эволюционизма стала, фактически, платформой, на которой происходит синтез разнородного и специализированного знания. В основе современной эволюционной биологии лежит теория Дарвина. Интересно и то, что Дарвину в свое время удалось выявить такие факты и закономерности, которые имеют универсальное значение, т.е. теория созданная им, приложима к объяснению явлений, происходящих не только в живой, но и неживой природе. В настоящее время эволюционный подход взят на вооружение всем естествознанием. Вместе с тем, эволюционная биология – самостоятельная область знания, с собственными проблемами, методами исследования и перспективой развития.

В настоящее время предпринимаются попытки синтеза этих трех направлений биологии и оформления самостоятельной дисциплины – теоретической биологии.

4. Теоретическая биология. Целью теоретической биологии является познание самых фундаментальных и общих принципов, законов и свойств, лежащих в основе живой материи. Основой теоретической биологии в любом случае служит развитие эволюционного подхода, и, таким образом, теоретическая биология может рассматриваться как дальнейшее развитие эволюционной биологии.

В основе биологии лежат 4 аксиомы, характеризующие жизнь и отличающие её от «нежизни».

Аксиома 1

Все живые организмы должны состоять из фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение. Наследуется не структура, а описание структуры и инструкция по ее изготовлению. Жизнь на основе только одного генотипа или одного фенотипа невозможна, т.к. при этом нельзя обеспечить ни самовоспроизведения структуры, ни ее самоподдержания. (Д. Нейман, Н. Винер)

Аксиома 2

Генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения. Жизнь – это матричное копирование с последующей самосборкой копий. (Н.К. Кольцов)

Аксиома 3

В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными. Отбор случайных изменений не только основа эволюции жизни, но и причина ее становления, потому что без мутаций отбор не действует.

Аксиома 4

В процессе формирования фенотипа случайные изменения генетических программ многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды. Из-за усиления в фенотипах случайных изменений эволюция живой природы принципиально непредсказуема. (Н.В.Тимофеев-Ресовский)

Вопрос о сущности жизни до сих пор является одним из центральных вопросов естествознания, ответ на который разный в зависимости от точки зрения. Однако все исследователи признают одно общее неотъемлемое свойство живого – ее системный характер, или системность

Под биологической (живой) системой понимается совокупность взаимодействующих элементов, которая образует целостный объект, имеющие новые качества, не свойственные входящим в систему качеств элементов.

Таким образом, живой, целостной системе присущи следующие качества:

· множественность элементов,

· наличие связей между элементами и с окружающей средой,

· согласованная организация взаимоотношений элементов как в пространстве, так и во времени, направленное на осуществление функций системы.

С учетом всего сказанного, мы можем утверждать, что

Главная » Правила в английском языке » Введение в биологию (начало). Введение в биологию (начало) Введение в биологию