Біологія

БІОЛОГІЯ, наука про життя, що включає всі знання про природу, структуру, функції та поведінку живих істот. Біологія має справу не тільки з великою кількістю форм різних організмів, але також з їх еволюцією, розвитком і з тими відносинами, які складаються між ними та навколишнім середовищем.

Біологічні науки можна класифікувати у різний спосіб. Якщо виходити з типу організмів, що вивчаються, то двома головними категоріями будуть ботаніка, що вивчає представників царства рослин, і зоологія, що має справу з царством тварин. Існують і дрібніші підрозділи. Приміром, іхтіологія вивчає риб, орнітологія – птахів, мікологія – гриби тощо. Інші галузі біології – це анатомія, фізіологія та ембріологія, що досліджують відповідно структуру, функціонування та розвиток цілого організму або будь-якої його частини. У свою чергу в межах цих наук можна виділити спеціалізації, пов'язані з типом організмів, що вивчаються; приклади тому - фізіологія тварин, фізіологія рослин, фізіологія людини або паразитологія, об'єктом якої служать організми, що живуть всередині інших організмів і використовують їх як джерело їжі.

Основними структурними елементами, у тому числі складаються тіла живих істот, є клітини. Їхню будову, склад та функції вивчає цитологія. Інша біологічна наука, гістологія, має з властивостями і структурою тканин, тобто. груп однотипних клітин, що виконують в організмі схожу функцію Механізми, з яких ознаки, властиві особинам одного покоління, передаються наступним поколінням, досліджує генетика.Класифікацією тварин і рослин і встановлення їх родинних зв'язків займається таксономія, а вивченням викопних залишків живих істот - палеонтологія. Взаємини організмів із довкіллям становлять предмет екології.

Нові фізичні та хімічні методи дослідження дозволяють кількісно вивчати молекулярні структури та явища, що лежать в основі всіх біологічних процесів. Цей напрямок, що зачіпає відразу кілька біологічних дисциплін, називають молекулярною біологією.

БІОЛОГІЧНІ КОНЦЕПЦІЇ

Аж до початку 20 ст. Біологи були переконані в тому, що все живе принципово відрізняється від неживого і в цій відмінності є якась таємниця. В даний час завдяки значно збільшеному обсягу знань у галузі хімії та фізики живої матерії стало ясно, що життя може бути пояснено у звичайних поняттях хімії та фізики. Нижче коротко викладаються основні концепції сучасної біології, що стосуються феномена життя.

Біогенез.

Усі живі організми походять лише з інших живих організмів, і з цього правила немає винятків. Не зовсім ясно, чи можна вважати живими субмікроскопічні віруси, що фільтруються, але немає сумнівів у тому, що поява їх у великій кількості в середовищі можлива тільки за рахунок розмноження тих вірусів, які вже потрапили туди раніше. Із невірусної речовини віруси не виникають.

Клітинна теорія.

Одне з найбільш фундаментальних узагальнень сучасної біології - це клітинна теорія, згідно з якою всі живі істоти, включаючи рослини і тварин, складаються з клітин та продуктів виділення клітин, а нові клітини утворюються шляхом розподілу існуючих.Всі клітини демонструють також схожість в основних компонентах хімічного складу та в основних метаболічних реакціях, а активність всього організму є сумою індивідуальних активностей складових цей організм клітин та результатів їх взаємодії.

Генетичні механізми та еволюція.

Генетична теорія свідчить, що ознаки особин кожного покоління передаються наступному поколінню через одиниці спадковості, які називаються генами. Великі складні молекули ДНК складаються з чотирьох типів субодиниць, які називають нуклеотидами, і мають структуру подвійної спіралі. Інформація, що міститься в кожному гені, закодована особливим порядком розташування цих субодиниць. Оскільки кожен ген складається приблизно з 10 000 нуклеотидів, збудованих у певній послідовності, існує безліч комбінацій нуклеотидів, а відповідно і безліч різних послідовностей, що є одиницями генетичної інформації.

Визначення послідовності нуклеотидів, що утворюють певний ген, стало тепер не тільки можливим, а й навіть досить звичайною справою. Більш того, ген можна синтезувати, а потім клонувати, отримавши таким чином мільйони копій. Якщо якесь захворювання людини викликано мутацією гена, який у результаті не функціонує належним чином, в клітину може бути введений нормальний синтезований ген, і він виконуватиме необхідну функцію. Ця процедура називається генною терапією. Грандіозний проект «Геном людини» покликаний з'ясувати нуклеотидні послідовності, що утворюють усі гени людського геному.

Одне з найважливіших узагальнень сучасної біології, що формулюється іноді як правило «один ген – один фермент – одна метаболічна реакція», було висунуто в 1941 американськими генетиками Дж. Бідлом та Е. Тейтемом. Згідно з цією гіпотезою, будь-яка біохімічна реакція - як у розвивається, так і в зрілому організмі - контролюється певним ферментом, а фермент цей у свою чергу контролюється одним геном. Інформація, закладена в кожному гені, передається від одного покоління до іншого спеціальним генетичним кодом, який визначається лінійною послідовністю нуклеотидів. При утворенні нових клітин кожен ген реплікується, і у процесі поділу кожна з дочірніх клітин отримує точну копію всього коду. У кожному поколінні клітин відбувається транскрипція генетичного коду, що дозволяє використовувати спадкову інформацію для регуляції синтезу специфічних ферментів та інших білків, що існують у клітинах.

У 1953 американський біолог Дж. Уотсон і британський біохімік Ф. Крік сформулювали теорію, яка пояснює, яким чином структура молекули ДНК забезпечує основні властивості генів – здатність до реплікації, передачі інформації та мутування. З цієї теорії виявилося можливим зробити певні передбачення генетичної регуляції синтезу білка і підтвердити їх експериментально.

Розвиток із середини 70-х років генної інженерії, тобто. Технологія отримання рекомбінантних ДНК значно змінила характер досліджень, що проводяться в галузі генетики, біології розвитку та еволюції.Розробка методів клонування ДНК та проведення полімеразної ланцюгової реакції дозволяють отримувати в достатній кількості необхідний генетичний матеріал, включаючи рекомбінантні (гібридні) ДНК. Ці методи використовуються для з'ясування тонкої структури генетичного апарату та відносин між генами та їх специфічними продуктами – поліпептидами. Вводячи в клітини рекомбінантну ДНК, вдалося отримати штами бактерій, здатні синтезувати важливі для медицини білки, наприклад людський інсулін, гормон росту людини та багато інших сполук.

Значного прогресу було досягнуто в галузі вивчення генетики людини. Зокрема, проведено дослідження таких спадкових хвороб, як серповидноклітинна анемія та муковісцидоз. Вивчення ракових клітин призвело до відкриття онкогенів, які перетворюють нормальні клітини на злоякісні. Дослідження, що проводяться на вірусах, бактеріях, дріжджах, плодових мушках і мишах, дозволили отримати велику інформацію щодо молекулярних механізмів спадковості. Тепер гени одних організмів можуть бути перенесені до клітин інших високорозвинених організмів, наприклад мишей, які після такої процедури називаються трансгенними. Щоб здійснити операцію з впровадження чужорідних генів у генетичний апарат ссавців, розроблено низку спеціальних методів.

Одне з найдивовижніших відкриттів у генетиці – це виявлення двох типів полінуклеотидів, що входять до складу генів: інтронів та екзонів. Генетична інформація кодується і передається лише екзонами, функції інтронів до кінця не з'ясовані.

Вітаміни та коферменти.

Відкриття цих речовин, які не є солями, білками, жирами чи вуглеводами, але водночас необхідні для повноцінного харчування, належить американському біохіміку польського походження К.Функу. З 1912, коли Функ виявив вітаміни, почалося інтенсивне дослідження їхньої ролі в метаболізмі та з'ясування того, чому в харчовому раціоні одних організмів повинні обов'язково бути присутніми певні вітаміни, а в раціоні інших їх може і не бути. Наразі твердо встановлено, що сполуки, які ми відносимо до вітамінів, необхідні для нормального метаболізму всіх живих істот, включаючи бактерії, зелені рослини та тварин, проте якщо деякі організми здатні синтезувати ці сполуки самі, інші повинні отримувати їх з їжею в готовому вигляді. Для багатьох вітамінів нині вже з'ясовано їхню специфічну роль у метаболізмі. У всіх випадках вони функціонують як частину великої молекули речовини, названої коферментом. Кофермент служить свого роду партнером ферменту та субстратом для здійснення деяких реакцій. Авітаміноз, що виникає при недостатності того чи іншого вітаміну, є наслідком порушень у метаболізмі, викликаних нестачею коферменту.

Гормони.

Термін «гормон» був запропонований в 1905 англійським фізіологом Е.Старлінгом, який визначив його як «будь-яка речовина, яка в нормі виділяється клітинами в якійсь одній частині тіла і переноситься кров'ю в інші частини тіла, де воно проявляє свою дію на благо всього організму. ».Можна сказати, що ендокринологія (вивчення гормонів) почалася з 1849 року, коли німецький фізіолог А.Бертольд здійснив пересадку сім'яників від одного птаха до іншого і припустив, що ці чоловічі статеві залози виділяють у кров якусь речовину, що визначає розвиток вторинних статевих ознак. Сама ж ця речовина – тестостерон – була виділена в чистому вигляді та описана лише у 1935 році.

Тварини (як хребетні, так і безхребетні) та рослини виробляють велику кількість різних гормонів. Всі гормони утворюються в якійсь невеликій ділянці організму, а потім переносяться в інші його частини, де, присутні в дуже низьких концентраціях, мають виключно важливу регуляторну та координуючу дію на активність клітин. Таким чином, основна роль гормонів – це хімічна координація, яка доповнює координацію нервової системи.

Екологія.

Згідно з однією з найважливіших узагальнюючих концепцій сучасної біології, всі живі організми, що мешкають у певному місці, тісно взаємодіють один з одним та з навколишнім середовищем. Певні види рослин і тварин розподілені у просторі не випадковим чином, а утворюють взаємозалежні спільноти, що складаються з продуцентів, консументів та редуцентів та пов'язані з певними неживими компонентами середовища. Подібні спільноти можуть бути виявлені та охарактеризовані за домінуючими видами; найчастіше це види рослин, що дають їжу та укриття іншим організмам. Екологія покликана відповісти на запитання – чому ті чи інші види рослин та тварин утворюють певну спільноту, як вони взаємодіють між собою та як впливає на них людська діяльність.

Особливості живих організмів.

Живі організми не містять будь-якого особливого хімічного елемента, якого не було б у неживій природі. Навпаки, основні їх елементи – вуглець, водень, кисень і азот – досить поширені Землі. У дуже невеликих кількостях у складі живих організмів є, крім того, безліч інших хімічних елементів. Усі живі істоти більшою чи меншою мірою можуть бути охарактеризовані за такими ознаками, як розміри, форма тіла, подразливість, рухливість, а також особливості метаболізму, росту, розмноження та адаптацій. Здатність рослин і тварин пристосовуватися до свого середовища дозволяє їм виживати за тих змін, які у зовнішньому світі. Адаптація може включати як дуже швидкі зміни стану організму, зумовлені клітинною дратівливістю, і дуже тривалі процеси, саме поява мутацій та його природний добір.

Біологічні ритми

Багато проявів життєдіяльності організмів мають циклічний характер. Існують, наприклад, сезонні цикли у динаміці чисельності деяких видів; відомі також циклічні явища у житті популяцій, що повторюються щороку, кожен місячний місяць, щодня чи кожен морський приплив (чи відлив). Багато біологічних функцій окремо взятого організму теж мають періодичну природу, наприклад, чергування сну та неспання. Принаймні деякі з цих циклів, мабуть, регулюються внутрішнім біологічним годинником.

Походження життя.

Сучасні теорії виникнення мутацій, природного відбору та популяційної динаміки дають пояснення того, як відбулися сучасні тварини та рослини від раніше існуючих форм.Питання початковому походження життя Землі розглядався багатьма біологами. Деякі з них вважали, що форми життя було принесено з космосу, з інших планет. Прихильники подібної точки зору посилаються на виявлені у 1961 та 1966 структурах у метеоритах, що нагадують скам'янілості мікроскопічних організмів.

Теорію походження перших живих істот із неживої матерії розвивали німецький фізіолог Е.Пфлюгер, англійський генетик Дж.Холдейн та російський біохімік А.І.Опарін.

Відомий цілий ряд реакцій, з яких можна отримати органічні речовини з неорганічних. Американський хімік М.Калвін експериментально показав, що випромінювання з високою енергією, наприклад, космічні промені або електричні розряди можуть сприяти утворенню органічних сполук з простих неорганічних компонентів. У 1953 американські хіміки Г. Юрі та С. Міллер виявили, що деякі амінокислоти, наприклад гліцин і аланін, і навіть більш складні речовини можуть бути отримані з суміші парів води, метану, аміаку і водню, через яку лише протягом тижня пропускають електричні розряди.

Спонтанне зародження живих організмів у тій обстановці, що існує на Землі нині, дуже малоймовірно, проте воно цілком могло статися в минулому. Вся справа у відмінності умов, що існували тоді й зараз.

До того, як на Землі виникло життя, органічні сполуки могли накопичуватися, оскільки, по-перше, не існувало цвілевих грибів, бактерій та інших живих істот, здатних їх споживати, а по-друге, вони не піддавалися спонтанному окисленню, оскільки в атмосфері тоді був відсутній кисень (чи його було дуже мало).Зараз розроблені цілком правдоподібні теорії, що дозволяють пояснити, як органічні речовини могли виникати в результаті простих хімічних реакцій, індукованих електричними розрядами, ультрафіолетовим випромінюванням та іншими фізичними факторами, як ці молекули могли потім утворити в морі розбавлений бульйон і як внаслідок їхньої тривалої взаємодії формувалися рідкі кристали, а потім і більш складні молекули, що за розмірами наближаються до білків та нуклеїнових кислот. Процес, аналогічний природному відбору, міг діяти серед цих ще живих, але дуже складних молекул. Подальше об'єднання молекул білків і нуклеїнових кислот могло призвести до появи організмів, що нагадують нині існуючі віруси, від яких, можливо, походять бактерії, що зрештою дали початок рослинам і тваринам. Іншим великим кроком у ранній еволюції було розвиток білково-ліпідної мембрани, яка оточувала скупчення молекул і дозволяла одні молекули накопичувати, інші, навпаки, викидати назовні.

Всі ці доводи привели вчених до висновку, що виникнення життя на нашій планеті – це подія не тільки цілком природна і можлива, а й майже неминуча. Більше того, кількість вже відомих галактик, а відповідно і планет у Всесвіті настільки велике, що існування на багатьох з них умов, придатних для життя, є ймовірним. Не виключено, що життя на цих планетах справді існує. Але якщо життя десь можливе, то після достатнього часу воно має з'явитися і дати широке розмаїття форм. Деякі з цих форм можуть відрізнятися від тих, що зустрічаються на Землі, але інші можуть бути дуже схожими.Теорія походження життя може бути зведена до наступних тез: 1) органічні речовини утворюються з неорганічних в результаті впливу фізичних факторів навколишнього середовища; гени; 3) складні молекули стають різноманітнішими і поєднуються в примітивні, схожі на віруси організми; 4) вірусоподібні організми поступово еволюціонують і дають початок рослинам та тваринам.

Фолсом До. Походження життя.. М., 1982
Пригожин І., Стенгерс І. Порядок із хаосу. М., 1986
Реймерс Н.Ф. Основні біологічні поняття та терміни.. М., 1988
Кемп П. Армс До. Введення у біологію. М., 1988
Грін Н., Стаут У., Тейлор Д. Біологія, тт. 1-3.