ВВЕДЕНИЕ

ЧТО ИЗУЧАЕТ "ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ"?

Биология - наука об окружающем мире. Научный метод. Гипотеза, эксперимент, теория. Признаки живой материи. Подходы к изучению живых организмов.

Вы приступаете к изучению предмета, который в курсе средней школы носит название “Общая биология”. С одной стороны, принципиально нового в этом предмете ничего нет. С другой стороны, сложность этого предмета состоит в том, что обыкновенный предмет биология, изучаемый с шестого по девятый класс, предстанет перед вами в новом свете. Многим из вас данный предмет был очень легким, необходимо было просто запомнить достаточно большое количество фактов и затем воспроизвести их в известной последовательности. В некоторых частях тех или иных тем вам предлагалось делать обобщения, какие-то выводы. Но общим направлением работы при изучении биологии было накопление фактического материала по МНОГООБРАЗИЮ ЖИЗНИ НА ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ.

При начале изучения хотелось бы подготовить вас к восприятию материала, подготовить к тому, что простого запоминания фактов, процессов в курсе "Общей биологии" будет недостаточно.

Главная задача предмета состоит в выявлении законов и закономерностей организации и развития жизни на земле как глобального явления.

А там где ставится вопрос о законах и закономерностях естественно возникает необходимость увидеть эти закономерности среди огромного многообразия фактического материала. Часто у изучающих общую биологию возникает небольшое негодование по поводу того, что приходится возвращаться к материалам, с которыми знакомились в младших классах. С неудобством постоянного обращения к учебникам и справочникам по поводу особенностей строения и жизнедеятельности растений, животных, грибов, вирусов, по поводам выяснения связей организма с окружающей средой, влиянии среды на организм и организма на среду обитания придется смириться тем, кому действительно необходимо выяснить суть предмета, который в курсе средней школы носит название "Общая биология". Что обобщает данный предмет, каково его место среди других наук о природе.

Обратите внимание на интересную особенность предметов школьной программы. Есть в школьной программе множество предметов - физика, химия, математика, литература…. Каждый предмет имеет свою терминологию, свои законы, оспаривать которые в данном пособии никто не будет. Но давайте отойдем от школы и посмотрим, а что изучают данные школьные предметы, или науки, которые представлены школьными предметами. А изучают они окружающий нас мир. Вы можете сказать, что окружающий нас мир изучают предметы естественнонаучного цикла, а гуманитарные предметы (литература, русский, история) - нет. Но это не так. Гуманитарные предметы изучают, то, что связанно с деятельностью человека. А человек является частью природы.

Данная постановка проблемы изучения окружающего нас мира не влечет за собой утверждения, что биология самая важная наука из наук изучающих мир. Этот вопрос поднят из желания показать, что сведение биологии к простому описанию многообразия проявлений жизни не даст ключа к познанию законов природы. С другой стороны, иногда проявляют тенденции сведения биологии к физике и химии (если можно так выразиться). Не отвергая возможности использования в биологии фактов и законов, накопленных в физике и химии, предлагаю их использовать, но не говорить о том, что законы физики и химии могут решить все проблемы, возникающие при изучении явлений, связанных с жизнью.

Некоторое время мы используем термин "жизнь", "живое" не говоря о том, что это такое. Можно честно сказать, что на сегодняшний день не существует четкого определения понятия "жизнь". А раз этого определения нет, то мы будет использовать метод описания явления, и при этом описании будет потихоньку приближаться к пониманию явления.

Для начала давайте представим себя на природе, говоря словами городского жителя. Мы увидим лес (березки, осинки…), полянку и себя на ней, рядом ручей. Летают бабочки, жужжат какие-то жучки, где то в листве можно заметить птичек, если повезет, то можно встретить зайца или ежа, в листве заметна шляпка гриба. И все это растет, размножается, питается друг другом. Человек давно наблюдает за этим многообразием. Сначала человек осознавал себя частью этого многообразия, частью природы. Следы этого вы встречали в рассказах и романах о североамериканских индейцах или о народах нашего севера. С развитием цивилизации мы постепенно противопоставили себя природе. Поэтому городскому жителю проще смотреть на картину природы как на экран телевизора.

Давайте все же посмотрим на природу и попробуем увидеть в ней не просто большое многообразие живых организмов. Тот, кто из вас пробовал заниматься аквариумными рыбками, столкнулся с фактом, что просто держать рыб в емкости с водой не приносит успеха. Оказывается необходимы водные растения, грунт, куча разных приборов для того, что бы аквариум достаточно долго существовал без замутнения воды и рыбки чувствовали себя достаточно здоровыми. И обратите внимание на то, что рыбки просто в стеклянной емкости без грунта, растений смотрятся как-то неестественно. Огромное удовольствие доставляет созерцание рыбок медленно плавающих среди растений. Проходит некоторое время и аквариумист начинает понимать, что занятие рыбками влечет за собой изучение растений, минералов, свойств воды, света. И незаметно для себя хороший аквариумист становится специалистом по водным растениям, воде, грунту и еще много чему.

Экскурс в аквариумистику вызван стремлением показа необходимости изучения всех проявлений и связей живого в природе. Если так сложно организовать существование аквариума в течение достаточно длительного времени, то насколько сложно должна быть организована живая природа, что бы существовать в условиях изменяющейся неживой природы в течение уже нескольких миллиардов лет.

Если коротко повторить все сказанное выше, то можно произнести следующее утверждение:

биология наука о жизни на земле, связана с другими науками об окружающем мире, но само явление жизни настолько сложно и трудно для понимания, что мы находимся в самом начале изучения данного явления.

Мы собираемся изучать жизнь на планете земля и необходимо оговорить (можно приблизительно), что будет объектом исследования "Общей биологии".

На вопрос поставленный таким образом обычно описывают какой либо объект. В данном случае так же можно описать объекты, которые изучает биология. Одни вам уже знакомы - это организмы. Но как в строгой науке необходимо выстроить все по ранжиру. Учитывая размеры объекта. При таком делении говорят об уровнях организации живой материи. Необходимо оговориться, что данное деление на уровни обусловлено особенностями работы органов чувств человека (что ограничивает размеры объектов, изучаемых на данном уровне) и методами изучения объектов (Клетки изучаются при помощи одних приборов, а киты при помощи других). Но главное - ОДИНАКОВЫМИ СВОЙСТВАМИ ОБЪЕКТОВ (свойствами организмов, если это организменный уровень, свойствами молекул, если это молекулярный уровень.).

1. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ - наиболее древний. По сути - это граница между живым и неживым. На этом уровне обнаруживается удивительное однообразие дискретных единиц - у всех животных и растений, микроорганизмов и грибов, вирусов в состав белков входят около 20 аминокислот, энергия запасается в виде АТФ, а наследственная информация заложена в нуклеиновых кислотах, способных к самовоспроизведению (при изучении объектов на данном уровне применяются методы биохимии);

2. КЛЕТОЧНЫЙ - клетка является структурной и функциональной единицей, в главных чертах сходной для всех организмов, а также единицей развития живых организмов, обитающих на Земле (на данном уровне царит наука цитология);

3. ТКАНЕВОЙ - ткань представляет собой совокупность клеток с одинаковым строением и функциями. Этот уровень возник с появлением многоклеточности;

4. ОРГАНИЗМЕННЫЙ - при всем отличии организмов между собой у них есть общее - они состоят из клеток и тканей, органов. Вне особей в природе жизнь не существует. Особь - это единица жизни.(эти два уровня выделены условно, так как ткань проявляется только у организмов, но данное деление важно при изучении эволюции жизни на Земле). (Изучение отдельных организмов - область интересов анатомии, физиологии...).

5. ПОПУЛЯЦИОННО - ВИДОВОЙ - более сложный уровень организации жизни, где действуют законы внутрипопуляционных и видовых отношений. Это не просто сумма составляющих их живых организмов (данный уровень хорошо описывается классической описательной зоологией и ботаникой).

6. БИОГЕОЦЕНОТИЧЕСКИЙ - еще более высокий уровень организации. Объединяет виды, населяющие ту или иную территорию (об этом уровне организации материи стали говорить не так давно, когда подошли к идее взаимосвязи всех живых организмов на земле, что связанно с развитием такой науки, как экология).

7. БИОСФЕРНЫЙ - высший уровень организации жизни на Земле. Охватывает все проявления жизни на планете. (В наших учебниках изучение данного уровня связанно с работами, Вернадского, который констатировал факт, что Жизнь является мощной геологической силой, силой планетарного, космического масштаба).

В других литературных источниках можно встретить немного другое представление уровней организации живой материи. Но различия не носят принципиального характера.

Напоминаем вам, что деление на уровни условно и объясняется методами изучения природных объектов, способами получения информации.

Биосфера состоит из живых существ (организмов), которые могут быть и многоклеточными (иметь органы и ткани) и одноклеточными. Все живые организмы состоят из атомов и молекул. Но обратите внимание на следующую мысль - ОРГАНИЗМЫ ОБРАЗУЮТ БИОСФЕРУ, НО БИОСФЕРА ЭТО НЕ ПРОСТО СУММА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ (ТЕЛ).

Разные подходы к изучению живых объектов уже дали большое количество информации о многообразии живых организмов. И стало понятно, что простое описание многообразия не может дать ответ на вопрос о сущности жизни.

Сейчас много говорится о свойствах живого. Чем больше свойств (признаков) изучаемого объекта (в нашем случае - жизнь) будет описано, тем больше вероятность точного выделения данного явления из многочисленных явлений окружающей действительности.

Прежде чем говорить о признаках, свойствах живого, давайте вспомним пример с аквариумом. Аквариум - медленно плавающие рыбки, зеленые растения, улитки на стенках - маленькая модель системы живых организмов, совокупность разных живых объектов, взаимодействующих между собой с окружающей неживой природой. И такие разные живые объекты - при всем многообразии - должны иметь какие-то свойства и признаки, общие для всех. То, о чем мы сейчас будем говорить, можно назвать аксиомами биологии - основополагающими понятиями и явлениями биологии.

Так что же характерно для всего живого на Земле?

  1. Единство химического состава всего живого и неживого на планете. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Подробнее об этом и соотношении элементов в живой и неживой природе можно читать в главах "Химическая организация клетки", а о более широком взаимодействии в "Основах экологии".

  2. Все живые объекты способны к обмену веществ с окружающей средой, этот обмен веществ (а в свете современных представлений и информации) необходимое свойство. Обмен веществ в живой природе регулируемый. В отличие от неживой природы в живой обмен веществ идет с затратой энергии, зачастую против градиентов концентрации. Подробнее об этом читайте в главах " Обмен веществ и превращение энергии в клетке" и "Основы экологии".

  3. Все живые объекты способны к росту и развитию. В процессе развития возникает специфическая структурная организация индивида (или сообщества), а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток. В результате эволюции возникают новые виды, прогрессивно усложняется сама жизнь. Самые простые примеры роста и развития читайте в главах " Эмбриональное развитие животных", "Постэмбриональное развитие". Более сложные примеры (касающиеся сложных систем и исторического развития) рассматриваются в главе "Развитие органического мира", "Макроэволюция", "Микроэволюция".

  4. Наследственность и Изменчивость. Первое свойство заключается в способности организмов передавать свои признаки и свойства, особенности развития из поколения в поколение. Что обусловлено стабильностью и свойствами молекул ДНК. Второе свойство обусловлено изменением наследственных зададков. Копирование ДНК не всегда происходить к абсолютной точностью и при размножении организмов возникают отклонения. Эти свойства живых объектов рассматриваются в главах "Основные понятия генетики", "Основные закономерности наследственности", "Основные закономерности изменчивости".

  5. Способности к самовоспроизведению (репродукции). Другими словами, способность к размножению. В основе размножения лежат реакции матричного синтеза на основании информации заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. Данная способность тесно связана с явлением наследственности. Подробнее об этом читайте в главах "Деление клеток", "Формы размножения организмов"

  6. Энергозависимость. Это свойство связано с тем, что живые тела представляют собой "открытые" для поступления энергии системы. Эти системы могут существовать только при непрерывном поступлении энергии и материи извне. Живые объекты отличаются от объектов неживой природы высокой упорядоченностью (структурной и функциональной). На поддержание этой высокой упорядоченности тратиться энергия. Разбирая все явления в курсе биологии, имейте в виду, что все процессы, идущие в живых организмах идут с затратой энергии.

Последнее свойство очень важно для осмысленной дальнейшей работы, необходимо освежить знания, полученные в курсе термодинамики.

Энергия, определяемая как способность производить работу, может проявляться в виде тепловой, световой, электрической, химической или механической. Можно выделить:

Камень, лежащий на вершине холма, обладает потенциальной энергией, определяемой его положением; если камень скатывается с холма, то его потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию.

В экспериментальных условиях можно измерить и сопоставить количество энергии, поступающей в любую систему и выходящей из нее. При этом всегда оказывается, что энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. В этом состоит первый закон термодинамики, который иногда называют законом сохранения энергии: общее количество энергии в любой изолированной системе остается постоянным. Если данная система претерпевает изменения, переходя из исходного состояния в конечное, это может сопровождаться поглощением энергии из окружающей среды или, напротив, выделением энергии в среду.

Второй закон термодинамики можно кратко сформулировать следующим образом: энтропия вселенной возрастает. Энтропия - это неупорядоченное состояние внутренней энергии (которая не способна производить работу). Или второй закон можно выразить иначе: физические и химические процессы в замкнутой системе происходят таким образом, что энтропия системы стремиться к максимуму.

Энтропия - мера хаоса или неупорядоченности.

Поскольку почти все превращения энергии сопровождаются потерей некоторого количества тепла, обусловленной беспорядочным движением молекул, энтропия окружающей среды возрастает.

Живые организмы и составляющие их клетки высокоорганизованны и поэтому энтропия их невелика. Они сохраняют это "низкоэнтропийное" состояние за счет повышения энтропии внешней среды. Стремление к состоянию с максимальной энтропией - движущая сила всех процессов. Можно говорить о том, что на первый взгляд биологические объекты ведут себя вопреки законов физики. Но на самом деле постоянно идут затраты энергии, совершается работа направленная на сохранение состояния, преодоление течения процессов, идущих по градиентам.

Кроме этого имеется так называемая свободная энергия.

Свободная энергия - эта та часть общей энергии системы, которая способна производить работу в изотермических условиях.

Энтропия и свободная энергия связаны известной зависимостью; увеличение энтропии при необратимом процессе сопровождается уменьшением количества свободной энергии.

Можно говорить еще о многих свойствах живого, но на первом этапе знакомства с предметом "Общей биологии" уже перечисленного хватит.

Прежде чем перейти к изучении непосредственного материала курса хотелось бы оговорить еще один пункт. Все, что мы знаем об окружающем мире результат большой работы. Непрерывно идет пополнение наших знаний об окружающем мире. И встает вопрос о том, насколько верны или ошибочны те или иные утверждения. Поэтому предварительно следует напомнить вам об этапах научного познания.

Любое научное исследование обычно начинается с наблюдения над тем, что происходит в природе, после чего исследователи пытаются обобщить сделанные наблюдения. Проще говоря - необходимо увидеть какое либо явление в окружающем нас мире. Задать себе вопрос о том, почему это происходит.

Если бы мы наблюдали за мухами, то заметили, что некоторые из них напоминают пчел или ос. Почему некоторые мухи напоминают пчел? Может быть, это дает им преимущества в их жизни? А как возникли эти приспособления?

Для того чтобы ответить на эти вопросы, нужна какая-то идея или ГИПОТЕЗА, которая позволяет объяснить сделанные наблюдения. Так, например, сходство мух с пчелами позволяет первым проникать в улей за медом. Но это чисто умозрительные заключения.

Следующим шагом необходимо разработать и провести ЭКСПЕРИМЕНТ, который позволит проверить выдвинутую гипотезу. Некоторые гипотезы бесполезны для науки, потому что их нельзя проверить. Например, гипотеза о том, что "хищники принимают мух за опасных пчел", не поддается проверке, так как вы не можете узнать, о чем думает то или иное животное. Но мы можем придумать какое-нибудь вытекающее из нее и поддающееся проверке предсказание.

На основе своей первой гипотезы (о том, что окраска мухи защищает ее от хищников) делаете следующее предсказание: если данный хищник был ужален пчелами и научился не трогать их, то он не станет нападать на муху, которая выглядит как пчела. Это предсказание можно проверить.

Действительно было показано на примере жаб, что животное "пострадавшее" от нескольких пчел затем не трогает и мух, похожих на пчел. Следовательно наша гипотеза о том что сходство мухи с пчелой спасает первую от хищников подтверждается на опыте.

Настоящий НАУЧНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ должен непременно сопровождаться КОНТРОЛЬНЫМ ЭКСПЕРИМЕНТОМ, который бы отличался от первого только одним (и только одним) фактором. То есть необходимо провести еще один эксперимент, когда другой "неопытной" жабе сразу давали бы полосатых мух. При этом необходимо, чтобы обе жабы были одинаковы, содержались в одинаковых условиях. Все отличие между жабами было бы в том, что одна столкнулась с пчелами, а другая нет. Без контрольного эксперимента может возникнуть мысль, что жаба отказывается от полосатых мух по другой причине, например, не голодна или низкая температура и т.д.

Фактически вы можете провести еще один контрольный эксперимент, предложив первой жабе безобидную комнатную муху после того как она откажется от полосатой мухи; это позволит проверить, действительно ли жаба сыта.

Исследователи так же не принимают результатов экспериментов до тех пор, пока не убедятся в ВОСПРОИЗВОДИМОСТИ, то есть многократного повторения эксперимента разными учеными, в разных лабораториях.

Гипотеза, подтвержденная многочисленными и многообразными данными, полученными в результате воспроизводимых экспериментов, обычно считается ТЕОРИЕЙ. На основании этой теории, можно пытаться объяснить те или иные события в природе.

Кроме этого метода существует множество других. Например, в последнее время активно разрабатывается применение моделей в исследовании природы.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое научный метод исследования?

2. Перечислите этапы научного исследования?

3. Чем теория отличается от гипотезы?

4. Перечислите признаки живой материи?

5. Почему нельзя дать точного определения жизни?

6. Место биологии среди наук?
Сайт создан в системе uCoz