Современная картина мира: системный подход.
Сущность живого, его основные признаки.
Клетка как элементарный структурный компонент живой материи.
Отличие живого от неживой природы
4.1 ОПРЕДЕЛЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ.
4.2 КЛЕТОЧНОЕ СТРОЕНИЕ.
4.3 ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГОЗАВИСИМОСТЬ.
4.4 САМОРЕГУЛЯЦИЯ.
4.5 РАЗДРАЖИМОСТЬ И ПСИХИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ.
4.6 НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ.
4.7 ИЗМЕНЧИВОСТЬ.
4.8 РАЗМНОЖЕНИЕ И РЕПРОДУКЦИЯ.
4.9 ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ (ОНТОГЕНЕЗ).
4.10 ЭВОЛЮЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ (ФИЛОГЕНЕЗ).
4.11 ЦЕЛОСТНОСТЬ И ДИСКРЕТНОСТЬ живых систем.
Принципы биологической эволюции.
1. Современная картина мира: системный подход.
В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета и т.д. может быть рассмотрен как система – сложное образование включающее составные части, элементы и связи между ними. Элемент в данном случае означает минимальную, далее неделимую часть данной системы.
Совокупность связей между элементами образует структуру системы, устойчивые связи определяют упорядоченность системы. Связи по горизонтали – координирующие, обеспечивают корреляцию системы, ни одна часть системы не может измениться без изменения других. Связи по вертикали – связи субординации, одни элементы системы являются более значимыми, чем другие, и подчиняются им. Система обладает признаком целостности – это означает что все ее составные части, соединяясь в целое, образуют нечто обладающее качествами, не сводимыми к качествам отдельных элементов. Согласно современным научным взглядам все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. В естественных системах выделяют два больших класса систем: системы живой и неживой природы. Принято так же выделять три уровни строения материи.
|
|
Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины от долей миллиметра до километров и временные измерения от долей секунды до лет.
Микромир – мир предельно малых непосредственно ненаблюдаемых объектов, пространственная размерность от 10-8 см. до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с.
Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световыми годами, а время миллионами и миллиардами лет.
2. Сущность живого, его основные признаки.
В развитии биологии выделяют три основных этапа. Первый – систематики (Карл Линней), второй – эволюционный (Чарльз Дарвин), третий – микробиологии (Грегор Мендель).
Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.
Первое. Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.
Второе. Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию.
|
|
Третье. Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешние раздражители – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.
Четвертое. Живые организмы способны не только изменяться, но и усложняться. Они могут создавать новые органы, отличающиеся от породивших их структур.
Пятое. Живое способно к самовоспроизведению.
Шестое. Живые организмы способны передавать потомкам заложенную в них информацию, содержащуюся в генах – единицах наследственности. Эта информация в процессе передачи может видоизменяться и искажаться. Это предопределяет изменчивость живого.
Седьмое. Живые организмы способны приспосабливаться к среде обитания и своему образу жизни.
Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное определение сущности живого: Жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.
Структурный или системный анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен и имеет сложную структуру.
Условно на основе критерия масштабности можно выделить следующие уровни организации живого вещества:
1. Биосферный. Включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.
2. Уровень биогеоценозов. Отражает структуры, состоящие из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс – экосистему.
|
|
3. Популяционно-видовой уровень. Образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.
4. Организменный и органно-тканевый уровни. Отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.
5. Клеточный и субклеточный уровни. Отражают особенности специализации клеток, а также внутриклеточные структуры.
6. Молекулярный уровень. Отражает особенности химизма живого вещества, а также механизмы и процессы передачи генной информации.
3. Клетка как элементарный структурный компонент живой материи.
Живая клетка является фундаментальной частицей структуры живого вещества. Она является простейшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе способностью переносить генетическую информацию. Клеточная теория была создана немецкими учеными Теодором Шванном и Матиасом Шлейденом. Ее основное положение состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению. Исследования в области цитологии показали, что все клетки осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции и могут передавать наследственную информацию. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни в обновленном виде, или гибелью. Вместе с тем выяснилось, что клетки весьма многообразны, они могут существовать как одноклеточные организмы или в составе многоклеточных. Срок жизни клеток может не превышать нескольких дней, а может совпадать со сроком жизни организма. Размеры клеток сильно колеблются: от 0,001 до 10 см. Клетки образуют ткани, несколько типов тканей – органы, группы органов, связанные с решением каких-либо общих задач называются системами организма. Клетки имеют сложную структуру. Она обособляется от внешней среды оболочкой, которая, будучи неплотной и рыхлой, обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром, обмен с ним веществом, энергией и информацией. Метаболизм клеток служит основой для другого их важнейшего свойства – сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клеток, присущее всей живой системе, называют гомеостазом. Гомеостаз, то есть постоянство состава клетки, поддерживается метаболизмом, то есть обменом веществ. Обмен веществ – сложный, многоступенчатый процесс, включающий доставку в клетку исходных веществ, получение из них энергии и белков, выведение из клетки в окружающую среду выработанных полезных продуктов, энергии и отходов.
В настоящее время к миру живого относят также вирусы, которые не имеют клеточной структуры. Кроме того, существуют также некоторые организмы с клеточным строением, клетки которых не имеют типичной структуры. Это так называемые прокариоты, их клетки не имеют ядер. Прокариоты являются историческими предшественниками организмов с развитыми клетками. К ним относят бактерии и сине-зеленые водоросли. Нити нуклеиновых кислот у этих клеток расположены не в ядре, а в цитоплазме.
Общепризнано, что структуры, управляющие жизнедеятельностью клетки, расположены в ядре в длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), исходной единицей которых является ген (от греч. «рождающий»).
4. Отличие живого от неживой природы
Что именно позволяет нам отделять живое от неживого? Существует несколько принципиально отличающихся друг от друга подходов к решению вопроса, что такое жизнь. Один из них - это так называемая "механистическая теория жизни". В соответствии с ней при достаточном знании законов физики и химии можно составить четкое представление о том, что такое жизнь, какова ее природа и происхождение. Более того, исходя из этих знаний, можно синтезировать живой организм из неживой материи.
Согласно теории диалектического материализма, в природе существуют различные уровни движения материи, подчиняющиеся разным законам. Жизнь - есть особая форма движения материи, которая возникает как новое качество на определенном этапе исторического развития. Поэтому она обладает свойствами, отличающими ее от неорганического мира и ей присущи особые, специфические закономерности, не сводимые к физико-химическим законам неживой природы. В познании жизни важно установить именно ее качественные отличия от других форм движения материи. Согласно представлениям, основанным на принципах идеализма, живые и неживые системы различны в самой своей сути. Иными словами, живое отличается от неживого самим "свойством жизни" или "жизненной силой", которая есть нематериальная сверхъестественная субстанция. Этой идее витализма (от лат. vitalis - жизнь) придерживались многие ученые, например Г. Дриш, И. Мюллер, Г. Шталь и другие. Еще Аристотель предложил понятие энтелехии, означающее осуществление какой-либо возможности бытия, а также движущий фактор этого осуществления, то есть "жизненную силу". Она и есть то трансцендентное регулирующее начало, которое управляет явлениями жизни. Кроме того, существует целый ряд синтетических подходов, на которых мы останавливаться не будем. Для живых организмов (под словом "организм" мы будем понимать любой живой объект) характерен ряд свойств, отличающих их от неживых тел.
4.1 ОПРЕДЕЛЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ.
В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в неживые объекты, однако их соотношение различно. Основными биогенными элементами являются Н, С, О, N. Помимо них важны Na, Mg, Cl, P, S, К, Fe, Ca и др. Кроме того, все живые организмы построены из четырех основных групп органических веществ: нуклеиновых кислот, белков, углеводов и липидов, или жиров.
4.2 КЛЕТОЧНОЕ СТРОЕНИЕ.
Все живые организмы имеют определенную организацию, структурной и функциональной единицей которой для всех организмов (кроме вирусов) является клетка.
4.3 ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГОЗАВИСИМОСТЬ.
Организмы представляют собой открытые системы, являющиеся устойчивыми лишь при условии непрерывного доступа к ним веществ и энергии извне. При этом живая система постоянно находится в состоянии динамического равновесия
4.4 САМОРЕГУЛЯЦИЯ.
Живые организмы обладают способностью поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов. Недостаток поступления каких-либо питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает прекращение синтеза этих веществ.
4.5 РАЗДРАЖИМОСТЬ И ПСИХИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ.
Раздражимость - способность организма отвечать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями. Всякое изменение окружающей организм, среды является раздражителем, а реакция организма - проявлением раздражимости. Сочетания раздражитель - реакция могут накапливаться в виде опыта и использоваться в дальнейшей деятельности.
4.6 НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ.
Для живых организмов характерна способность передавать признаки и свойства в неизмененном виде из поколения в поколение с помощью носителей информации молекул ДНК или РНК.
4.7 ИЗМЕНЧИВОСТЬ.
Способность организмов приобретать новые признаки и свойства называется изменчивостью. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора.
4.8 РАЗМНОЖЕНИЕ И РЕПРОДУКЦИЯ.
При размножении организмы воспроизводят себе подобных. Это свойство теснейшим образом связано с явлением наследственности.
4.9 ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ (ОНТОГЕНЕЗ).
Новый организм возникает, в большинстве случаев, в результате слияния половых клеток (гамет) в ходе процессов онтогенеза. Развитие сопровождается ростом. В процессе роста и развития постепенно возникает специфическая структурная организация индивида. Продолжительность жизни особей ограничена процессами старения, приводящими в конечном итоге к смерти.
4.10 ЭВОЛЮЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ (ФИЛОГЕНЕЗ).
Все живые организмы существуют не только в пространстве, но и во времени. Филогенез есть необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся появлением новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Все то огромное многообразие живых существ, которое мы наблюдаем на Земле, есть результат эволюции.
4.11 ЦЕЛОСТНОСТЬ И ДИСКРЕТНОСТЬ живых систем.
Это одно из самых важных свойств живой материи. С одной стороны, живая материя целостна, определенным образом организована, подчиняется ряду специальных, только для нее характерных законов. С другой стороны, она дискретна, так как любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и тесно взаимосвязанных элементов.
Помимо названных, иногда выделяют и чисто физиологические свойства, присущие живому, такие как подвижность, рост, выделение и т. д.
5. Принципы биологической эволюции.
Интенсивное проникновение эволюционной парадигмы в биологию началось в конце XVIII в. благодаря работам французского биолога Ламарка. Ламарк объяснил изменчивость видов взаимодействием двух факторов: влияния внешней среды (питание, климат, упражнение органов) и наследственности. Проблемы, поставленные Ламарком, были успешно разрешены Ч. Дарвином в его работе «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859), которая заложила основу учения о биологической эволюции. Это наука о причинах, движущих силах и закономерностях изменения и развития живых организмов. Эволюционное учение является теоретической основой современной биологии. С точки зрения теории эволюции все многообразие живой природы является результатом действия трех взаимосвязанных факторов: наследственности, изменчивости и естественного отбора. Эти выводы теории эволюции базируются на следующих наблюдениях. Во-первых, в любой популяции животных наблюдается изменчивость составляющих ее особей. Во-вторых, некоторые из этих изменений получены от родительских особей, другие являются результатом приспособления к окружающей среде и приобретены в течение жизни. В-третьих, рождается, как правило, гораздо большее число организмов, чем доживает до стадии размножения. Причем выживают те организмы, которые обладают сочетанием признаков, повышающих вероятность их выживания и размножения. Если эти признаки закреплены в генах, они передаются потомству. Наиболее ярко эволюционные процессы проявляются на уровне популяций (длительно существующих групп особей, устойчиво сохраняющихся на протяжении жизни многих поколений). Виды, как правило, состоят из нескольких популяций, хотя бывают и исключения. Появление элементарных эволюционных изменений в популяции, то есть ее новых устойчивых признаков, передающихся по наследству через несколько поколений зависит от следующих эволюционных факторов. Первое. Перестройка генов – мутационный процесс. Является основой разнообразия особей в популяциях, но он основан на случайности и не определяет направление эволюции. Второе. Популяционные волны – резкие колебания численности особей, они могут резко менять число встречающихся мутаций, создавая те или иные предпосылки для эволюционных изменений. Третье. Изоляция – возникновение препятствий, уменьшающих возможности обмена генетической информацией с другими группами особей данного вида. Она выступает как фактор, закрепляющий начальную стадию дифференциации генофонда обособившейся группы. Четвертое. Естественный отбор – выживание и оставление потомства. Этот фактор действует на всех стадиях развития особи, причем отбор закрепляет именно те особенности, которые полезны данному виду как целому. Эти признаки могут быть вредны для особи, но полезны для популяции. Таким образом, весь ход эволюции видов ведет к тому, что признаки, обеспечивающие выживание в данных условиях, встречаются в популяции все чаще от поколения к поколению, определяя направление развития вида. Эволюция есть направленный процесс исторического изменения живых организмов. Указанные факторы действуют не только на популяционном и видовом уровне как микроэволюци, но также и на надвидовом уровне как макроэволюция, образуя новые виды и классы живого. Современная сложная структура живого является результатом продолжавшейся миллионы лет макро- и микроэволюции.
Комплекс представлений о макро- и микроэволюции, сложившийся к середине ХХ в., стали называть синтетической теорией эволюции.
Генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. Она является научной основой для разработки методов селекции, то есть создания новых пород животных, видов растений и т.д.
Основными направлениями исследований ученых-генетиков в ХХ в. стали:
1. Изучение элементарных материальных структур, которые являются носителями генетической информации, единицами наследственности.
2. Исследование механизмов и закономерностей передачи генетической информации.
3. Изучение механизмов реализации генетической информации, ее претворение в конкретные признаки и свойства организма.
4. Выяснение причин и механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.
Крупнейшие открытия современной генетики связаны с установлением способности генов к перестройке – мутирование. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Одним из результатов мутаций может быть появление организма нового вида – мутанта. Причины мутаций (изменения генной информации) до конца не выяснены. Однако установлены основные факторы, вызывающие мутации, так называемые мутагены. Известно, например, что мутации могут вызываться некоторыми общими условиями, в которых находится организм: его питанием, температурным режимом и т.д. или действием экстремальных факторов, например, некоторых химических веществ или радиоактивных элементов. Одним из наиболее опасных видов мутагенов являются вирусы.