Структура біологічного знання
Біологія - складова частина природознавства; сукупність наук про живу природу, різноманіття існуючих живих організмів, їх будову і функції, походження, поширення і розвитку, зв'язках один з одним і з неживою природою. Біологія вивчає закономірності живого у всіх його проявах (обмін речовин, відтворення, спадковість, мінливість, пристосовність та ін.)
У своєму розвитку біологія пройшла тривалий і важкий шлях, що включає в себе три найбільших етапу, принципово різняться між собою своєю головною ідеєю: період систематики, період біології мікросвіту і еволюційний період. Вони не мають чітких часових меж і різких переходів. Більше того, оскільки біології ще не вийшла на рівень теоретичних узагальнень і не має власної наукової картини світу, вона існує у вигляді натуралістичної, фізико-хімічної та еволюційної біології.
Період систематики. Натуралістична біологія. Біологія розвивалася як описова наука про різноманітних формах, видах і взаємозв'язках тваринного світу. Головним її завданням було вивчення природи в природному стані. Для цього явища природи спостерігалися, описувалися і систематизувалися. Початком наукового підходу послужила постійно зростаюча сукупність практичних знань, одержуваних людиною в процесі його взаємодії з навколишнім світом, яку необхідно було структурувати.
Систематизація і класифікація біології були запропонована шведським вченим К. Ліннеєм. Він точно визначив співвідношення між різними систематичними групами, чітко їх виділивши і показавши їх ієрархічну підпорядкованість.
Натуралістична біологія не втратила свого значення і до сьогодні. Як і раніше триває вивчення флори і фауни нашої планети, відкриваються й описуються нові види. Незважаючи на те, що сучасна біологія змогла здійснити аналіз та класифікацію величезного числа тварин і рослинних організмів, вона тим не менш не змогла зробити повний опис всього природного світу.
Період мікросвіту. Фізико-хімічна біологія. При всіх плюсах натуралістичної біології з її цілісним підходом до вивчення природи, біологія все ж потребувала розумінні механізмів, явищ і процесів, що відбуваються на різних рівнях життя і живих організмів. Тому від традиційної описової біології вчені були змушені перейти до вивчення анатомії і фізіології рослин і тварин, процесів життєдіяльності організмів у цілому, і їх окремих органів, а потім до вивчення життя на клітинному та молекулярно-генетичному рівнях.
Біологія в Новий час все ширше використовувала методи інших природних наук. Так в науку проникла думка, що всі явища життя підкоряються законам фізики та фізики і можуть бути пояснені за їх допомогою. Перший час це був лише методологічний підхід, але з 19 століття можна було говорити про народження фізико-хімічної біології, що вивчала життя на молекулярному і надмолекулярному рівнях. Велику роль в утвердженні нового образу біології зіграли вчені 19 століття, що використали методи фізики і хімії в своїх дослідженнях. У 20 ст. З'явилася молекулярна генетика, що вивело біологію на новий рівень аналізу життя і ще тісніше зблизила її з фізикою і хімією. Вдалося зрозуміти генетичну роль нуклеїнових кислот, були відкриті молекулярні механізми генетичної репродукції і біосинтезу білка, а також молекулярно-генетичні механізми мінливості, вивчений обмін речовин на молекулярному рівні.
З точки зору хімії живі організми являють собою відкриті системи, постійно обмінюються речовиною та енергією з навколишнім середовищем. При цьому разом з їжею вони одержують величезну кількість органічних і мінеральних речовин, які беруть участь у біохімічних реакціях організму, а потім у вигляді продуктів розпаду виводяться в навколишнє середовище. Гормональна регуляція, що відбувається в організмі, також являє собою систему хімічних реакцій.
Об'єднання біології з хімії дало початок новій науці - біохімії, яка аналізує зміни біомолекул усередині живого організму. Біохімікам вдалося з'ясувати, як переноситься енергія в клітці, розшифрувати механізми метаболізму, встановити роль внутрішньоклітинних структур, з'ясувати структуру і функції білків і нуклеїнових кислот.
Оскільки сучасна хімія грунтується на фізиці, вчені прагнуть пояснити біологічні явища та процеси на основі фізичних закономірностей. У результаті в 1950 р на стику біохімії, біології та фізики народилася нова наука - біофізика. Біофізики, розглядаючи якесь біологічне явище, розчленовують його на декілька більш елементарних, доступних для розуміння і досліджують їх фізичні властивості. Їм вдалося пояснити механізми м'язового скорочення, проведення нервового імпульсу, таємниці фотосинтезу і багато іншого.
Еволюційний період. Еволюційна біологія. Ідея розвитку живої природи проникла в біологію в 19 столітті.
Справжня революція в біології пов'язана з появою в 1859 р теорії еволюції Ч. Р. Дарвіна, побудованої на трьох постулатах: мінливості, спадковості і природний добір. Мінливість - здатність організмів набувати нових властивостей і ознаки і змінювати їх з різних причин. Спадковість - здатність живих організмів передавати свої властивості і ознаки наступним поколінням. Природний відбір - результат боротьби за існування, виживання та успішне розмноження найбільш пристосованих організмів.
Сучасна теорія еволюції з'явилася в кінці 1920-х рр.. Вона являла собою синтез генетики і дарвінізму. З цього часу стало можливим говорити про еволюційної біології як про платформу, на якій відбувається синтез різнорідного біологічного знання. Сьогодні еволюційна біологія - результат об'єднання двох потоків знання: еволюційного вчення і знань, отриманих іншими біологічними науками про процесах і механізмах еволюції. Протягом 20 у зміст еволюційної біології постійно розширювалося. Вона доповнювалася даними генетики, молекулярної біології, палентоологіі та інших наук.
Структурні рівні організації життя
Рівні організації органічного світу - дискретні стану біологічних систем, що характеризуються соподчиненностью, взаємопов'язаністю, специфічними закономірностями.
Структурні рівні організації життя надзвичайно різноманітні, але основними є молекулярний, клітинний, онтогенетичний, популяційно-видовий, бігіоценотіческій та біосферний.
Молекулярно-генетичний рівень життя. Найважливішими завданнями біології на цьому етапі є вивчення механізмів передачі генної інформації, спадковості і мінливості.
Існує кілька механізмів мінливості на молекулярному рівні. Найважливішим із них є механізм мутації генів - безпосереднє перетворення самих генів під впливом зовнішніх факторів. Факторами, що викликають мутацію, є: радіація, токсичні хімічні сполуки, віруси.
Ще один механізм мінливості - рекомбінація генів. Такий процес має місце при статевому розмноженні у вищих організмів. При цьому не відбувається зміни загального обсягу генетичної інформації.
Ще один механізм мінливості був відкритий лише в 1950-і рр.. Це - некласична рекомбінація генів, при якому відбувається загальне збільшення обсягу генетичної інформації за рахунок включення в геном клітини нових генетичних елементів. Найчастіше ці елементи привносяться в клітку вірусами.
Клітинний рівень. Сьогодні наукою достовірно встановлено, що найменшою самостійною одиницею будови, функціонування та розвитку живого організму є клітина, яка представляє собою елементарну біологічну систему, здатну до самооновлення, самовідтворення і розвитку. Цитологія - наука, що вивчає живу клітину, її будову, функціонування як елементарної живої системи, досліджує функції окремих клітинних компонентів, процес відтворення клітин, пристосування до умов середовища та ін Також цитологія досліджує особливості спеціалізованих клітин, становлення їх особливих функцій і розвиток специфічних клітинних структур . Таким чином, сучасна цитологія була названа фізіологією клітини.
Значним просуванням у вивченні клітин сталося на початку 19 століття, було відкрито і описано клітинне ядро. На підставі цих досліджень і була створена клітинна теорія, що стала найбільшою подією в біології 19 ст. Саме ця теорія стала фундаментом для розвитку ембріології, фізіології, теорії еволюції.
Найважливіша частина всіх клітин - ядро, яке зберігає і відтворює генетичну інформацію, регулює процеси обміну речовин в клітині.
Всі клітини діляться на дві групи:
Прокаріоти - клітини, позбавлені ядра
Еукаріоти - клітини містять ядра
Вивчаючи живу клітину, вчені звернули увагу на існування двох основних типів її харчування, що дозволило всі організми розділити на два типи:
Автотрофні - самі роблять необхідні їм живильні речовини
Гетеротрофні - не можуть обходитися без органічної їжі.
Пізніше були уточнені такі важливі фактори, як здатність організмів синтезувати необхідні речовини (вітаміни, гормони), забезпечувати себе енергією, залежність від екологічного середовища та ін Таким чином, складний і диференційований характер зв'язків свідчить про необхідність системного підходу до вивчення життя і на онтогенетичному рівні .
Онтогенетический рівень. Багатоклітинні організми. Цей рівень виник в результаті формування живих організмів. Основною одиницею життя виступає окрема особина, а елементарним явищем - онтогенез. Вивченням функціонування та розвитку багатоклітинних живих організмів займається фізіологія. Ця наука розглядає механізми дії різних функцій живого організму, їх зв'язок між собою, регуляцію і пристосування до зовнішнього середовища, походження та становлення в процесі еволюції і індивідуального розвитку особини. По суті справи це і є процес онтогенезу - розвиток організму від народження до смерті. При цьому відбувається зростання, переміщення окремих структур, диференціація і ускладнення організму.
Усі багатоклітинні організми складаються з органів і тканин. Тканини - це група фізично об'єднаних клітин і міжклітинних речовин для виконання певних функцій. Їх вивчення є предметом гістології.
Органи - це відносно великі функціональні одиниці, які об'єднують різні тканини в ті чи інші фізіологічні комплекси. У свою чергу органи входять до складу більших одиниць - систем організму. Серед них виділяють нервову, травну, серцево-судинну, дихальну та інші системи. Внутрішні органи є тільки у тварин.
Популяційно-біоценотіческій рівень. Це надорганізменних рівень життя, основною одиницею якого є популяція. На відміну від популяції виглядом називається сукупність особин, подібних за будовою і фізіологічним властивостям, що мають спільне походження, що можуть вільно схрещуватися і давати плідне потомство. Вид існує тільки через популяції, що представляють генетично відкриті системи. Вивченням популяцій займається популяційна біологія.
Термін "популяція" було введено одним з основоположником генетики В. Іогансеном, який назвав так генетично неоднорідну сукупність організмів. Пізніше популяція стала вважатися цілісною системою, безперервно взаємодіє з навколишнім середовищем. Саме популяції є тими реальними системами, через які існують види живих організмів.
Популяції - генетично відкриті системи, так як ізоляція популяцій не абсолютна і періодично не буває можливим обмін генетичною інформацією. Саме популяції виступають в якості елементарних одиниць еволюції, зміни їхнього генофонду ведуть до появи нових видів.
Популяції, здатні до самостійного існування і трансформації, об'єднуються в сукупності наступного надорганізменного рівня - біоценози. Біоценоз - сукупність популяцій, що проживають на певній території.
Біоценоз являє собою закриту для чужих популяцій систему, для складових його популяцій - це відкрита система.
Біогеоцетоніческій рівень. Біогеоценоз - стійка система, яка може існувати протягом тривалого часу. Рівновага в живій системі динамічно, тобто являє собою постійний рух навколо певної точки стійкості. Для її стабільного функціонування необхідна наявність зворотних зв'язків між її керуючої і виконуючою підсистемами. Такий спосіб підтримки динамічної рівноваги між різними елементами біогеоценозу, викликане масовим розмноженням одних видів і скороченням або зникненням інших, що призводить до зміни якості навколишнього середовища, називають екологічною катастрофою.
Біогеоценоз - це цілісна саморегулююча система, в якій виділяється кілька типів підсистем. Первинні системи - продуценти, безпосередньо переробні неживу матерію; консументи - вторинний рівень, на якому речовина та енергія виходять за рахунок використання продуцентів, потім йдуть консументи другого порядку. Також існують падальщики і редуценти.
Через ці рівні в біогеоценозі проходить кругообіг речовин: життя бере участь у використанні, переробки та відновлення різних структур. У біогеоценозі - односпрямований енергетичний потік. Це робить його незамкненою системою, безперервно пов'язаної з сусідніми біогеоценозами.
Саморегуляція біогеоценлзов протікає тим успішніше, чим різноманітніше кількість складових його елементів. Від різноманіття його компонентів залежить і стійкість біогеоценозів. Випадання одного або декількох компонентів може призвести до необоротного порушення рівноваги і загибелі його як цілісної системи.
Біосферний рівень. Це найвищий рівень організації життя, що охоплює всі явища життя на нашій планеті. Біосфера - це жива речовина планети і перетворена ним навколишнє середовище. Біологічний обмін речовин - це фактор, який об'єднує всі інші рівні організації життя в одну біосферу. На цьому рівні відбувається кругообіг речовин і перетворення енергії, пов'язані з життєдіяльністю всіх живих організмів, що мешкають на Землі. Таким чином, біосфера є єдиною екологічною системою. Вивчення функціонування цієї системи, її будови і функцій - найважливіше завдання біології на цьому рівні життя. Займаються вивченням цих проблем екологія, біоценології і біогеохімія.
Розробка вчення про біосферу нерозривно пов'язана з ім'ям видатного російського вченого В.І. Вернадського. Саме йому вдалося довести зв'язок органічного світу нашої планети, що виступає у вигляді єдиного неподільного цілого, з геологічними процесами на Землі. Вернадський відкрив і вивчив біогеохімічні функції живої речовини.
Завдяки біогенної міграції атомів жива речовина виконує свої геохімічні функції. Сучасна наука виділяє п'ять геохімічних функцій, які виконує живу речовину.
Концентраційна функція виражається у накопиченні певних хімічних елементів усередині живих організмів завдяки їх діяльності. Результатом цього стала поява запасів корисних копалин.
Транспортна функція тісно пов'язана з першою функцією, тому що живі організми переносять потрібні їм хімічні елементи, які потім накопичуються в місцях їх проживання.
Енергетична функція забезпечує потоки енергії, що пронизують біосферу, що дає можливість здійснювати всі біогеохімічні функції живої речовини.
Деструктивна функція - функція руйнування і переробки органічних останків, в ході цього процесу накопичені організмами речовини повертаються в природні цикли, йде кругообіг речовин у природі.
Среднеобразующая функція - перетворення навколишнього середовища під дією живої речовини. Весь сучасний вигляд Землі - склад атмосфери, гідросфери, верхнього шару літосфери; більша частина корисних копалин; клімат - є результатом дії Життя.
Список використаної літератури
Концепції сучасного природознавства: Учеб. посібник / А.П. Садохін. - М.: Видавництво "Омега-Л", 2008 р
Концепції сучасного природознавства. (Підручник) Під ред. Михайлова Л.А. 2008р
Концепції сучасного природознавства. Лавриненко В.М., Ратніков В.П., ред. 2006р