Методы изучения биологии описание. Современные методы исследований в биологии

Введение.

Астана -2011

По курсу биологии

Сборник лекций

Гуманитарно-юридического колледжа КазГЮУ

Библиотека методического кабинета

Гуманитарно-юридический колледж КазГЮУ

Серия «Опыт и новаторство»

Елеусизова Раушан Хасеновна

Гуманитарно-юридический колледж КазГЮУ

Биология: сборник лекций, Астана, 2011 г.- 94стр.

Данный сборник лекций предназначен для учащихся небиологических специальностей. В данном пособии изложен полный материал по строению и функциям клетки, генетике и селекции, макроэволюции. В конце каждой лекции даны задания для закрепления темы.

Рассмотрено и утверждено на заседании цикловой комиссии естественно-научных дисциплин

Председатель цикловой комиссии___________Жумабаева С.К.

Протокол №____от «___» __________20___г.

Введение....................................................................................................... 5

Раздел 1. Биология- наука о жизни

Лекция №1 Разделы биологии. Методы изучения биологии и значение....................................................................................................................6

Раздел 2. Химический состав клетки.

Лекция № 2 Наука цитология. Предмет и задачи цитологии. Основные положения клеточной теории...............................................................................10

Лекция № 3 Неорганические составляющие клетки: вода и ее свойства. Минеральные соли................................................................................................17

Лекция № 4 Органические соединения клетки. Липиды.Белки. Углеводы................................................................................................................19

Раздел 3. Обмен веществ и энергии в клетке.

Лекция №5 Метаболизм, анаболизм, катаболизм. Дыхание организма.

Синтез АТФ................................................................................................27

Лекция № 6 Фотосинтез. Автотрофные и гетеротрофные клетки.........29

Лекция № 7 Биосинтез белка. Транскрипция и трансляция. Роль ДНК в наследственности.................................................................................................34

Раздел 4. Основы генетики

Лекция № 8 История развития генетики. Г.Мендель и его труды.

Доминантные и рецессивные признаки....................................................39

Лекция № 9 Аллельные гены. Фенотип и генотип. Причины

расщепления признаков.............................................................................49

Лекция №10 Законы Г.Менделя................................................................52

Лекция №11-12 Генетика пола. Скрепленное с полом наследование.

Влияние внешней среды на генотип. Предупреждение наследственных

заболеваний человека, их профилактика.................................................56

Раздел 5. Селекция животных и растений

Лекция № 13 Генетические основы селекции. Подбор и оценка

первичных материалов для селекции............................................... .......63

Лекция № 14 Селекция растений и животных. Мутагенез.

Достижения в селекции животных и растений в РК...............................65

Раздел 6. Учение о микроэволюции.

Лекция № 15 Вид- основной этап эволюции. Критерии вида.

Структура вида...........................................................................................73

Лекция № 16 Естественный отбор- движущая сила эволюции.

Борьба за существование, ее виды............................................................76

Раздел 7. Закономерности и пути развития органического мира.

Лекция № 17 Основные пути и направления эволюции.

Биологический прогресс и регресс...........................................................81

Лекция № 18 Аллогенез, арогенез, категенез..........................................83

Раздел 8. Основы учения о биосфере.

Лекция № 19 Биосфера и свойства биомассы планеты Земля.

В.И.Вернадский и его учения..................................................................85

Лекция №20 Возникновение и развитие биосферы. Ноосфера............91

Литература………………………………………………………………..94

Анализ учебной литературы для школьников и студентов по биологии, представленной на книжном рынке, показывает, что имеется широкий спектр учебных пособий и учебников соответствующей тематики. Большинство учебных пособий и учебников имеет стандартную форму представления учебного материала- описание отдельных тематических блоков дисциплины. В связи с этим достаточно широкий спектр учебной литературы не решает проблему студентов в использовании конспективных материалов, кратко, но полно излагающих теоретический материал. Актуальным остается разработка учебных материалов обобщающего характера, учитывающего межпредметные связи учебных дисциплин. В своем сборнике лекций я попыталась избежать дубляжа учебного материала (например, химические процессы в биологии), но способствовала формированию целостного восприятия естественно-научной картины мира. В содержании лекций прослеживаются межпредметные связи биологии не только с химией, но и с физикой, математикой, историей, медициной. В конце каждой лекции дан перечень вопросов для закрепления, ответы на которые учащиеся могут найти, внимательно изучив содержание лекции. Поэтому их выполнение не затруднит студента, но даст возможность осуществить самоконтроль усвоения теории.

Названия и количество лекций соответствует тематическому планированию. Содержание лекции соответствует типовой рабочей программе для средних профессиональных учебных заведений.

Биология - наука о живой природе и закономерностях, ею управляющих. Биология изучает все проявления жизни, строе­ние и функции живых существ, а также их сообществ. Она вы­ясняет происхождение, распространение и развитие живых орга­низмов, связи их друг с другом и с неживой природой. Как особая наука биология выделилась из естественных наук в XIX веке, когда учёные обнаружили, что живые организмы обладают некоторыми общими для всех характеристиками. Термин «биология» был введён независимо несколькими авторами: Фридрихом Бурдахом в 1800 году, в 1802 году Г. Р. Тревиранусом и Жаном Батистом Ламарком. В основе современной биологии лежат пять фундаментальных принципов: клеточная теория, эволюция, генетика, гомеостаз и энергия.

Живому миру характерно необычайное разнообразие. В на­стоящее время обнаружено и описано примерно 500 тыс. видов растений и более 1 млн. видов животных, более 3 тыс. видов бак­терий и сине-зеленых водорослей, сотни тысяч грибов. Число еще не описанных видов оценивается по меньшей мере в 1-2 млн. Выявление и объяснение общих явлений и процессов для всего многообразия организмов - задача общей биологии.

Основные признаки живого . Каждый организм представляет собой совокупность упорядочение взаимодействующих структур, образующих единое целое, т. е. является системой. Живые орга­низмы обладают признаками, которые отсутствуют у большинст­ва неживых систем. Однако среди этих признаков нет ни одного такого, который был бы присущ только живому. Возможный спо­соб описать жизнь - это перечислить основные свойства живых организмов.

1. Одна из наиболее примечательных особенностей живых организмов - это их сложность и высокая степень организации. Они характеризуются усложненным внутренним строением и со­держат множество различных сложных молекул.

2. Любая составная часть организма имеет специальное на­значение и выполняет определенные функции. Это относится не только к органам (почки, легкие, сердце и т. д.) и клеткам, но и к внутриклеточным структурам и молекулам.

3. Живые организмы обладают способностью извлекать, пре­образовывать и использовать энергию окружающей среды - либо в форме органических питательных веществ, либо в виде энергии солнечного излучения. Благодаря этой энергии и веще­ствам, поступающим из окружающей среды, организмы поддерживают свою целостность (упорядоченность) и осуществляют раз­личные функции, возвращают же в природу продукты распада и преобразованную энергию в виде тепла, т. е. организмы спо­собны к обмену веществом и энергией.

4. Организмы способны специфически реагировать на изме­нения окружающей среды. Способность реагировать на внешнее раздражение - универсальное свойство живого.

6. Самая поразительная особенность живых организмов -способность к воспроизведению, т. е. размножению. Потом­ство всегда сходно с родителями. Существуют механизмы передачи информации о признаках, свойствах и функциях организмов из поколения в поколение. В этом проявляется наследственность. Как установлено, механизмы хранения и передачи наслед­ственных свойств одинаковы для всех видов. Однако сходство родителей и потомков никогда не бывает полным: потомки, будучи похожи на родителей, всегда в чем-то отличаются от них. В этом состоит явление изменчивости, основные законы которой также общие для всех видов. Таким образом, живым организ­мам свойственны размножение, наследственность и изменчивость.

7. Для живого характерна способность к историческому развитию и изменению от простого к сложному. Этот процесс назы­вают эволюцией. В результате эволюции возникло все многооб­разие живых организмов, приспособленных к определенным условиям существования.

Уровни организации жизни . Для живой природы характерны разные уровни организации ее структур, между которыми суще­ствует сложное соподчинение. Жизнь на каждом уровне изучают соответствующие разделы биологии: молекулярная биология, ци­тология, генетика, анатомия, физиология, эволюционное учение, экология.

Самый нижний, наиболее древний уровень жизни - это уро­вень молекулярных структур. Здесь проходит граница между живым и неживым. Выше находится клеточный уровень жизни. И клетка, и заключенные в ней молекулярные структуры в глав­ных чертах строения у всех организмов сходны.

Органно-тканевый уровень характерен только для многокле­точных организмов, у которых клетки и образованные из них части организма достигли высокой степени структурной и функ­циональной специализации.

Следующий уровень - это уровень целостного организма. Как бы ни различались организмы между собой, их объединяет то, что они все состоят из клеток.

Вид, объединяющий сходные в основных чертах организмы, составляет более сложный уровень организации жизни. Здесь

действуют свои законы - законы внутривидовых отношений ор­ганизмов.

Наконец, еще более высоким уровнем является уровень био­ценозов,

т. е. сообществ всех видов, населяющих ту или иную территорию или акваторию. На этом уровне действуют законы межвидовых отношений.

Совокупность всего живого, населяющего Землю, составляет биосферу. Это высший уровень организации жизни. Законы, характерные для более высоких уровней организации живого ми­ра, не исключают действия законов, присущих более низким уровням.

Общая биология изучает законы, характерные для всех уров­ней организации жизни.

Методы изучения биологии . Для изучения живой природы биологи применяют различные методы. Наблюдение позволяет выявить объекты и явления. Сравнение дает возможность уста­новить закономерности, общие для разных явлений в живой при­роде. В эксперименте или в опыте создается ситуация, помогаю­щая выявить те или иные свойства биологических объектов. Ис­торический метод позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом познавать процессы развития живой природы. Экспериментальный метод был сформулирован английским ученым Френсисом Бэконом. Он дает возможность проникнуть в тайны живой материи. Эксперимент позволяет раскрыть тайны строения и закономерности взаимодействия не только органов и тканей, но и отдельных клеток и даже отдельных молекул. Кроме этих основных методов применяется мно­го других.

При изучении биологических объектов используется самая различная техника: микроскопы, ультрацентрифуги, разнообраз­ные химические анализаторы, компьютеры и множество других приборов, позволяющих раскрыть тайны живой материи. Свой вклад в изучение биологии вносят специалисты, казалось бы, да­лекие от биологии: химики, физики, математики, инженеры и многие другие.

Значение биологии . Биологические знания лежат в основе ме­дицинских и сельскохозяйственных наук. Биология решает важ­нейшие практические задачи. Одна из них- производство про­довольствия. Для того чтобы обеспечить питанием все увеличи­вающееся население нашей планеты, необходимо иметь высоко­продуктивные сорта сельскохозяйственных растений и породы животных, а также совершенные методы их выращивания. Эти проблемы нельзя решить, не зная законов биологии, прежде все­го законов наследственности, и не опираясь на них в агрономии и зоотехнике.

Очень важна задача разработки методов предупреждения и лечения болезней человека, особенно таких тяжелых, как сер­дечно-сосудистые, рак, СПИД. Решение этой задачи требует глубокого исследования жизненных процессов и механизмов, ими управляющих, как в отдельных клетках, так и в организмах и сообществах.

Важнейшая задача нашего времени, которая встала перед человечеством,- охрана природы и приумножение ее богатств. Эта задача продиктована тем, что под влиянием хозяйственной деятельности человека идет процесс загрязнения окружающей среды, вследствие чего происходит сокращение численности и даже гибель видов животных и растений. Загрязнение окружающей среды отрицательно влияет на здоровье человека.

Остановить развитие промышленности и рост городов невоз­можно. Но совершенно необходимо предотвратить угрозу, которую несет этот процесс природе и самому человеку, что также требует глубокого знания законов общей биологии.

Прогресс биологии в XX в., ее возросшая роль среди других наук и для существования человечества определяют и ее значительно более высокий уровень сравнительно с тем, какой она имела 30-40 лет назад. По уровню биологических исследований можно судить о материально-техническом развитии общества, так как биология становится реальной производительной силой, а также научной основой рациональных отношений между чело­веком и природой. Большинство биологических наук является дисциплинами с более узкой специализацией. Традиционно они группируются по типам исследуемых организмов: ботаника изучает растения, зоология - животных, микробиология - одноклеточные микроорганизмы. Области внутри биологии далее делятся либо по масштабам исследования, либо по применяемым методам: биохимия изучает химические основы жизни, молекулярная биология - сложные взаимодействия между биологическими молекулами, клеточная биология и цитология - основные строительные блоки многоклеточных организмов, клетки, гистология и анатомия - строение тканей и организма из отдельных органов и тканей, физиология - физические и химические функции органов и тканей, этология - поведение живых существ, экология - взаимозависимость различных организмов и их среды. Передачу наследственной информации изучает генетика. Развитие организма в онтогенезе изучается биологией развития. Зарождение и историческое развитие живой природы - палеобиология и эволюционная биология. На границах со смежными науками возникают: биомедицина, биофизика (изучение живых объектов физическими методами), биометрия и т. д. В связи с практическими потребностями человека возникают такие направления, как космическая биология, социобиология, физиология труда, бионика.

Вопросы для закрепления темы:

1. Что изучает наука биология?

2. Кто впервые ввел термин биология?

3. Как подразделяется биология?

4. Какие методы исследования живых организмов существуют в биологии?

5. Какие уровни организации жизни вы знаете?

6. Какие основные признаки живого вы знаете?

7. В чем заключается значение биологии?

Биология

Задачи:

· раскрытии сущности жизни;

Методы:

· метод наблюдения и описания

· метод измерений

· сравнительный метод

· исторический метод

· метод эксперимента

· метод моделирования

Разнообразие живых организмов. Прокариоты, эукариоты. Уровни организации живой природы. Свойства, отличающие живые системы от объектов неживой природы.

Прокариоты - клетки, не имеющие ядра, органелл, но имеющие кольцевую молекулу ДНК, в состав оболочки входит мурена. К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли.

Эукариоты – клетки, имеющие ядро.

Уровни организации живой природы:

1) Молекулярный уровень:
- затрагивает все биохимические процессы, которые происходят внутри любого живого организма.
Науки:
*биохимия
*молекулярная биология
*молекулярная генетика

2) Клеточный уровень:
- Включает в себя молекулярный уровень.
На этом уровне уже появляется термин «клетка» как «мельчайшая неделимая биологическая система».
Обмен вещ-в и энергии данной клетки(разный в зависимости от того, к какому царству принадлежит организм).
Органоиды клетки
Жизненные циклы – зарождение, рост и развитие, и деление клеток.

Науки:
*цитология
*генетика
*эмбриология

3) Тканевый уровень:
- Включает в себя молекулярный и клеточный уровень.
Этот уровень можно назвать «многоклеточным» -ведь ткань представляет собой совокупность клеток со сходным строением и выполняющих одинаковые функции.
Наука:
*гистология

4) Органный уровень:
- У одноклеточных органы - это органеллы – есть общие органеллы – характерные для всех эукариотических или прокаритических клеток, есть отличающиеся.

У многоклеточных организмов клетки общего строения и функции объединены в ткани, а те, соответственно, в органы которые, в свою очередь, объединены в системы и должны слаженно взаимодействовать между собой.

Науки:
*Ботаника
*Зоология
*Анатомия
*Физиология
*(медицина)

5) Организменный уровень:
- Включает все предыдущие уровни.
На этом уровне идет деление живой природы на царства – животных, астений и грибов.
Характеристика этого уровня:
обмен веществ
строение организма
питание
гомеостаз
размножение
взаимодействие между организмами
взаимодействие с окружающей средой
Науки:
*Анатомия
*Генетика
*Морфология
*Физиология

6) Популяционно-видовой уровень:

Включает все предыдущие уровни
Если несколько организмов сложить морфологически (проще говоря, одинаково устроены) и имеют одинаковый генотип, то они образуют один вид или популяцию.

Основные процессы:
взаимодействие организмов между собой
микроэволюция (изменение организмов под влиянием внешних условий)
Науки:
*Генетика
*Эволюция
*Экология

7) Биогеоценотический уровень:

Пищевое взаимодействие организмов между собой – пищевые цепи и сети.
Меж- и внутривидовое взаимодействие организмов – конкуренция и размножение.
Влияние окружающей среды на организмы и соответствующее влияние организмов на среду их обитания
Наука:
*Экология

8) Биосферный уровень
Взаимодействие, как живых, так и неживых компонентов природы
Биогеоценозы
Влияние человека – «антропогенные факторы»
Круговорот веществ в природе

Свойства, отличающие живые системы от объектов неживой природы:

Наличие метаболизма
Способность к росту и развитию
Способность к самовоспроизведению
Возможность дыхания

Различные взгляды на происхождение жизни на Земле. Гипотеза А.И.Опарина и Дж. Холдейна.

В настоящее время существует несколько концепций рассматривающих происхождение жизни на Земле.

1. Креационизм

Согласно этой концепции, жизнь и все населяющие Землю виды живых существ являются результатом творческого акта высшего существа. Основные креационизма изложены в Библии. Процесс божественного сотворения мира мыслится как место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения.

2. Гипотеза панспермии.

Согласно этой гипотезе, предложной в 1865г. Немецким ученым Г.Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1896г, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Однако до сих пор нет достоверных факторов, подтверждающих внеземное происхождение живых организмов найденных в метеоритах.

3. Гипотеза Опарина - Холдейна.

В 1924г. Опарин опубликовал статью, в которой предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которая относительно отдельны от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Согласно его теории, процесс, приводящий к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на три этапа:
Возникновение органических веществ
Возникновение белков
Возникновение белковых тел

Опарин высказал предложение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 445 млр. Лет назад состояла из аммиака, метана, углеродного газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни.
Подобные взгляды также высказал британский биолог Джон Холдейн.
Предсказывания Опарина оправдались.
В 1955г. Американский исследователь С.Миллер, пропуская электрические разряды напряжением до 60 000В через смесь СН 4, NH 3 , Н 2 и паров Н 2 О под давлением в несколько паскалей при t 80 o С, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, муравьиную кислоту и несколько аминокислот, в том числе глицин и аланин. Так экспертиза доказательство возможности образования аминокислот из неорганических соединений – чрезвычайно важное указание на то, что первым шагом на пути возникновения жизни на Земле был абиогенный синтез органических веществ.
В настоящее же время живое возникает от живого, и возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена, т.к новые органические соединения будут немедленно окислены или использованы гетеротрофными организмами.

Закономерности наследования признаков, установленные Г.Менделем. Моногибридное скрещивание. I и II законы Г.Менделя. Доминантные и рецессивные признаки, гомозиготные и гетерозиготные организмы. Аллельные и неаллельные гены.

Закономерности наследования были сформулированы в 1865г Г.Менделем в работе «Опыты над растительными гибридами». В своих экспериментах он проводил скрещивание различных сортов гороха.
I и II законы Менделя основаны на моногибридном скрещивании.
Моногибридное скрещивание – это скрещивание особей, анализируемых по одной паре альтернативных признаков.
I Закон (Закон единообразия)
При скрещивании гомозиготных особей, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, в потомстве наблюдается единообразие о фенотипу и генотипу.
II Закон (Закон расщепления)
При скрещивании двух гетерозиготных особей, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, в потомстве наблюдается расщепление по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1.

Доминантный - (преобладающий) признак или соответствующий аллель, проявляющийся
у гетерозигот.
Рецессивный – признак или соответствующий аллель, проявляющийся в гомозиготном
состоянии.
Гетерозигота – клетка (или организм) содержащий два различных аллеля в локусе
гомологичных хромосом.
Гомозигота – клетка (или организм), содержащий два одинаковых аллеля в локусе
гомологичных хромосом.
Аллельные гены – гены, определяющие развитие альтернативных признаков,
располагаются в одинаковых локусах гомологичных хромосом.
Неаллельные гены – гены, расположенные в различных участках хромосом,
определяющие развитие разных признаков.

Наследование признаков, сцепленных с полом. Примеры признаков, сцепленных с Х- и У- хромосомами у человека.

Признаки, гены которых находятся в половых хромосомах, называются сцепленные с полом , а наследование таких признаков – сцепленным с полом наследованием.
Различают:
1 . Признаки сцепленные с У-хромосомой.
У хромосома наследуется от отца к сыну и признаки, гены которых находятся в У хромосоме, наследуются по мужской линии.

Например: гипертрихоз края ушной раковины. Синдактилия – наличие перепонки между
(х-хр-му перед. дочке) пальцами.
2 . Признаки сцепленные с Х-хромосомой
У женщин имеется ХХ половые хромосомы. Свою Х хромосому женщины передают и дочерям, и сыновьям (гемофилия, дальтонизм, мышечная дистрофия Дюшена, потемнение зубов и тд)
Признаки сцепленные с Х-хромосомой могут быть доминантными и рецессивными.
Пример: Гемофилия (несвертываемость крови)
Обусловлена рецессивным геном, находящимся в Х хромосоме (Х h), его номер аллель (Х H)
При браке нормальной гетерозиготной женщины, те не страдающей гемофилией с нормальным мужчиной, дети могут родиться: девочки все здоровы, среди мальчиков вероятность рождения больных и здоровых 50/50; 1:1.
При браке нормальной гомозиготной женщины и больного гемофилией мужчиной, родятся здоровые и мальчики и девочки.

Взаимодействие генов. Взаимодействие аллельных генов и неполное доминирование, кодоминирование, сверхдоминирование. Примеры.

Взаимодействуют не гены, а те продукты, за синтез которых отвечают гены.
Взаимодействие аллельных генов.
1) Полное доминирование.
Доминантный ген полностью подавляет действие рецессивного и у особи с генотипом Аа проявляется доминантный признак, т.е особь не отличается от АА.
Например: желтый цвет семян проявляется при генотипах АА и Аа, гладкая форма семян при генотипах ВВ и Вв.
2) Неполное доминирование.
Доминантный ген не полностью подавляет действие рецессивного гена, и у особи с генотипом Аа проявляется промежуточное наследование с большим или меньшим уклонением к доминантному или рецессивному признаку.
Пример: Ночная красавица.
А-крас
а-бел
Аа-роз

Неполное доминирование имеет место при наследовании ряда признаков и заболеваний у человека (серповидноклеточная анемия, талассемия, цистинурия)
3) Сверхдоминирование.
Явление, при котором гетерозиготная особь по жизнеспособности превосходит гомозиготную особь по доминантному признаку, т.е Аа>АА
Пример:
Ген А – синтез норм – гемоглобина
Ген S – серповидноклеточного – гемоглобина
Особи с генотипом SS обычно умирают до полового созревания от серповидноклеточной анемии (эритроциты имеют вид серпа, гипоксия)
Молярийный плазмодий поселяется в эритроцитах людей с генотипом АА, у гетерозиготной особи с генотипом АS анемия проявляется субклинически, и мал плаз не поселяется в таких эритроцитах.
Т.е гетерозиготные особи AS по жизнеспособности превосходят особей с генотипом АА.
4. Кодоминирование
Явление, при котором два доминантных аллельных гена, находясь в одном генотипе, обуславливают появление группы крови.
Пример: Группы крови
I 0 – рецессивный ген
Y A доминантный ген
Y B
Y A Y B – IV группы крови

Предмет, задачи и методы биологии. Значение биологии для медицины.

Биология - наука о живой природе. Термин «биология» был предложен в 1802 г. Ж. Б. Ламарком и Г.Р. Тревиранусом независимо друг от друга.

Задачи:

· Они состоят в изучении закономерностей проявления жизни (строения и функции живых организмов и их сообществ, распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и неживой природой);

· раскрытии сущности жизни;

· систематизации многообразия живых организмов.

Методы:

· метод наблюдения и описания - заключается в сборе и описании фактов;

· метод измерений - использует измерения характеристик объектов;

· сравнительный метод - основан на анализе сходства и различий изучаемых объектов;

· исторический метод - изучает ход развития исследуемого объекта;

· метод эксперимента - дает возможность изучать явления природы в заданных условиях;

· метод моделирования - позволяет описывать сложные природные явления с помощью относительно простых моделей.

Значение биологии для медицины:

Важность изучения биологии для медика определяется тем, что биология- это теоретическая основа медицины.
Успехи медицины связаны с биологическими исследованиями, поэтому врач постоянно должен быть осведомлен с новейших достижениях биологии. Теоретические достижения биологии широко применятся в медицине. Так данные генетики позволили разрабатывать методы ранней диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней человека.

ВВЕДЕНИЕ

ЛЕКЦИЯ 1

Общая биология

Современное понятие жизни. Критерии живого, их интеграция. Уровни организации живого. МЕТОДЫ БИОЛОГИИ: эмпирические (наблюдение, сравнение /исторический/, описание, эксперимент), теоретический (системный).

Говоря о методах науки в широком смысле, имеют в виду не конкретные технологические приемы (методики), а методологические принципы , подходы к

изучению объектов, явлений, их связей. Методы биологии те же, что и в других естественных науках: эмпирические и теоретические . Эмпирическая стадия всегда развивается на основе предшествующих теорий или гипотез, а на теоретической стадии производят эмпирическую проверку выдвигаемых новых

Эмпирические методы :

Наблюдение - изучение объектов живой природы в естественных условиях существования . Это - непосредственное визуальное наблюдение (в буквальном смысле) за поведением, расселением, размножением животных и растений в природе, или инструментальное определение характеристик организмов, их органов, клеток, химический анализ состава и обмена веществ (… бинокль, глубоководные аппараты с видеокамерами ночного видения, микроскопы - спектральные и электронные, биохимические анализаторы, радиоактивные метки, ультрацентрифуги, разнообразную измерительную аппаратуру).

Экспериментальный метод (опыт) предполагает исследования живых объектов в условиях экстремального действия факторов среды – измененной температуры, освещенности или влажности, повышенной нагрузки, токсичности или радиоактивности, измененного режима или места развития (удаление или пересадка генов, клеток, органов, интродукция животных и растений, космические полеты и т.п.).

Экспериментальный метод позволяет выявить скрытые свойства, потенции, пределы адаптивных (приспособительных) возможностей живых систем, степень их гибкости, надежности, изменчивости.

Сравнительный (исторический) метод выявляет эволюционные преобразования биологических видов и их сообществ . Сопоставляют анатомическое строение, химический состав, структуру генов и другие признаки у организмов разного уровня сложности. При этом исследуются не только ныне живущие организмы, но и вымершие, сохранившиеся в виде окаменелых останков.

Эти методы требуют количественного учета и математического описания структур и явлений. Биология становится точной наукой, хотя выявляемые в ней закономерности носят вероятностный характер (стохастический, контринтуитивный) и описываются методами вариационной статистики.

На основе выявляемых статистических закономерностей можно осуществлять математическое моделирование биологических процессов и прогноз их развития .

Например, можно построить модель состояния жизни в водоеме через некоторое время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников и др.). Такие приемы стали возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов кибернетики - науки об управлении.

Теоретический (системный метод):

Этот метод, как и кибернетический подход, относится к категории новых методов исследования . Живые объекты рассматриваются как системы , то есть совокупности элементов с определенными отношениями. С учетом иерархичности живых систем каждый объект может рассматриваться одновременно как система и как элемент системы более высокого порядка. Поэтому принципы системной организации справедливы для всех уровней - от макромолекул до биосферы Земли .

Широкое развитие системного движения в современной науке, в том числе и в биологии, означает постепенный переход от анализа к синтезу . Анализ - это

дискретный подход, углубление в структуру и функции отдельных элементов системы - внутри клетки, внутри организма, внутри экологического сообщества. Синтез означает интегративный подход, изучение целостных характеристик системы - клетки, организма, биоценоза. Исследование всегда совершается сначала от общего к частному - анализ, а потом от частного к общему, но на новом уровне познания этого общего - синтез.

Аналитический подход в биологии открыл химическую и микроструктурную организацию живых объектов, выяснил видовое разнообразие среди животных, растений, микроорганизмов, выявил генетическую неоднородность организмов внутри популяций и другие внутренние характеристики систем.

Постепенно объем накопленных аналитических данных становился достаточным для перехода к их синтезу. Так возникли синтетическая теория эволюции, нейро - гуморальная физиология, современная иммунология, молекулярно-клеточная биология, новая мегасистематика организмов, основанная на их комплексной характеристике – от экологии и анатомии до молекулярной генетики.

Решается актуальная задача современного естествознания - создание целостной биологической картины мира.

Повышение интереса к синтезу в науке свидетельствует о переходе от эмпирической к теоретической стадии познания. От получения фактов , через их обобщение начинается выдвижение новых гипотез , далее обычно следует их повторная эмпирическая проверка (новые наблюдения, эксперименты, сравнения, моделирования). Эмпирическая проверка ведет либо к опровержению гипотезы, либо к ее подтверждению с той или иной степенью вероятности. Высоко достоверные гипотезы становятся законами , из них слагаются теории .

Когда мы говорим о биологии, мы говорим о науке, которая занимается исследованием всего живого. Все живые существа, включая ареал их обитания, изучаются. Начиная от строения клеток и заканчивая сложными биологическими процессами, все это является предметом биологии. Рассмотрим методы исследования в биологии , которые на данный момент используются.

Методы биологических исследований включают в себя:

• · Эмпирические/экспериментальные методы
• · Описательные методы
• · Сравнительные методы
• · Статистические методы
• · Моделирование
• · Исторические методы

Эмпирические методы заключаются в том, что объект опыта подвергается изменению условий его существования, а потом, учитываются полученные результаты. Эксперименты бывают двух видов в зависимости от их места проведения: лабораторные эксперименты и полевые эксперименты. Для проведения полевых экспериментов используются естественные условия, а для проведения лабораторных экспериментов, используется специальное лабораторное оборудование.

Описательные методы основываются на наблюдение, с последующим анализом и описанием феномена. Этот метод позволяет выделить особенности биологических явлений и систем. Это один из самых древних методов.

Сравнительные методы подразумевают сравнение полученных фактов и явлений с другими фактами и явлениями. Сведения получаются путем наблюдения. В последнее время стало популярно применять мониторинг. Мониторинг это постоянное наблюдение, которое позволяет собрать данные, на основе которых будет проводиться анализ, а потом прогнозирование.

Статистические методы также известны под названием математические методы, и используются для того, чтобы обработать данные числового характера, которые были получены в ходе эксперимента. Кроме этого, данный метод применяется для того, чтобы убедиться в достоверности определенных данных.

Исторические методы основываются на изучение предыдущих фактов, и позволяют определить существующие закономерности. Но так как не всегда один метод оказывается достаточно эффективным, принято эти методы совмещать для получения лучших результатов.

Моделирование это метод, который в последнее время принимает большие обороты и подразумевает работать с объектами путем представления их в моделях. То, что нельзя анализировать и изучать впоследствии эксперимента, то можно узнать путем моделирования. Частично используется не только обычное моделирование, а также математическое моделирование.

Рассмотрим аналогию и моделирование в биологических исследованиях.

Аналогия и моделирование в биологии

Под аналогией понимается подобие, сходство каких-то свойств, признаков или отношений у различных в целом объектов. Установление сходства (или различия) между объектами осуществляется в результате их сравнения. Таким образом, сравнение лежит в основе метода аналогии.

Если делается логический вывод о наличии какого-либо свойства, признака, отношения у изучаемого объекта на основании установления его сходства с другими объектами, то этот вывод называют умозаключением по аналогии. Ход такого умозаключения можно представить следующим образом. Пусть имеется, например, два объекта А и В. Известно, что объекту А присущи свойства P1 Р 2,..., Рn, Рn+1. Изучение объекта В показало, что ему присущи свойства Р 1 Р 2,..., Рn, совпадающие соответственно со свойствами объекта А. На основании сходства ряда свойств (Р 1 Р 2,..., Рn) у обоих объектов может быть сделано предположение о наличии свойства Рn+1 у объекта В.

Степень вероятности получения правильного умозаключения по аналогии будет тем выше: 1) чем больше известно общих свойств у сравниваемых объектов; 2) чем существеннее обнаруженные у них общие свойства и 3) чем глубже познана взаимная закономерная связь этих сходных свойств. При этом нужно иметь в виду, что если объект, в отношении которого делается умозаключение по аналогии с другим объектом, обладает каким-нибудь свойством, не совместимым с тем свойством, о существовании которого должен быть сделан вывод, то общее сходство этих объектов утрачивает всякое значение.

Указанные соображения об умозаключении по аналогии можно дополнить также и следующими правилами:

1) общие свойства должны быть любыми свойствами сравниваемых объектов, т. е. подбираться "без предубеждения" против свойств какого-либо типа; 2) свойство Рn+1 должно быть того же типа, что и общие свойства Р 1 Р 2,..., Рn; 3) общие свойства Р 1 Р 2, ..., Рn должны быть возможно более специфичными для сравниваемых объектов, т. е. принадлежать возможно меньшему кругу объектов; 4) свойство Рn+1, наоборот, должно быть наименее специфичным, т. е. принадлежать возможно большему кругу объектов.

Существуют различные типы выводов по аналогии. Но общим для них является то, что во всех случаях непосредственному исследованию подвергается один объект, а вывод делается о другом объекте. Поэтому вывод по аналогии в самом общем смысле можно определить как перенос информации с одного объекта на другой. При этом первый объект, который собственно и подвергается исследованию, именуется моделью, а другой объект, на который переносится информация, полученная в результате исследования первого объекта (модели), называется оригиналом (иногда - прототипом, образцом и т. д.). Таким образом, модель всегда выступает как аналогия, т. е. модель и отображаемый с ее помощью объект (оригинал) находятся в определенном сходстве (подобии).

"Под моделированием понимается изучение моделируемого объекта (оригинала), базирующееся на взаимооднозначном соответствии определенной части свойств оригинала и замещающего его при исследовании объекта (модели) и включающее в себя построение модели, изучение ее и перенос полученных сведений на моделируемый объект - оригинал"

Модели в биологии применяются для моделирования биологических структур, функций и процессов на разных уровнях организации живого: молекулярном, субклеточном, клеточном, органно-системном, организменном и популяционно-биоценотическом. Возможно также моделирование различных биологических феноменов, а также условий жизнедеятельности отдельных особей, популяций и экосистем.

В биологии применяются в основном три вида моделей: биологические, физико-химические и математические (логико-математические). Биологические модели воспроизводят на лабораторных животных определённые состояния или заболевания, встречающиеся у человека или животных. Это позволяет изучать в эксперименте механизмы возникновения данного состояния или заболевания, его течение и исход, воздействовать на его протекание. Примеры таких моделей - искусственно вызванные генетические нарушения, инфекционные процессы, интоксикации, воспроизведение гипертонического и гипоксического состоянии, злокачественных новообразований, гиперфункции или гипофункции некоторых органов, а также неврозов и эмоциональных состояний. Для создания биологической модели применяют различные способы воздействия на генетический аппарат, заражение микробами, введение токсинов, удаление отдельных органов или введение продуктов их жизнедеятельности (например, гормонов), различные воздействия на центральную и периферическую нервную систему, исключение из пищи тех или иных веществ, помещение в искусственно создаваемую среду обитания и многие другие способы. Биологические модели широко используются в генетике, физиологии, фармакологии.

Физико-химические модели воспроизводят физическими или химическими средствами биологические структуры, функции или процессы и, как правило, являются далёким подобием моделируемого биологического явления. Начиная с 60-х гг. 19 в. были сделаны попытки создания физико-химической модели структуры и некоторых функций клеток. Так, немецкий учёный М. Траубе (1867) имитировал рост живой клетки, выращивая кристаллы CuSО 4 в водном растворе К 4: французский физик С. Ледюк (1907), погружая в насыщенный раствор К 3РО 4 сплавленный СаСl2, получил - благодаря действию сил поверхностного натяжения и осмоса - структуры, внешне напоминающие водоросли и грибы. Смешивая оливковое масло с разными растворимыми в воде веществами и помещая эту смесь в каплю воды, О. Бючли (1892) получал микроскопические пены, имевшие внешнее сходство с протоплазмой; такая модель воспроизводила даже амебовидное движение. С 60-х гг. 19 в. предлагались также разные физические модели проведения возбуждения по нерву. В модели, созданной итальянским учёным К. Маттеуччи и немецким - Л. Германом, нерв был представлен в виде проволоки, окруженной оболочкой из проводника второго рода. При соединении оболочки и проволоки с гальванометром наблюдалась разность потенциалов, изменявшаяся при нанесении на участок "нерва" электрического "раздражения". Такая модель воспроизводила некоторые биоэлектрические явления при возбуждении нерва. Французский учёный Р. Лилли на модели, распространяющейся по нерву волны возбуждения, воспроизвёл ряд явлений, наблюдаемых в нервных волокнах (рефрактерный период, "всё или ничего" закон, двустороннее проведение). Модель представляла собой стальную проволоку, которую помещали сначала в крепкую, а затем в слабую азотную кислоту. Проволока покрывалась окислом, который восстанавливался при ряде воздействий; возникший в одном участке процесс восстановления распространялся вдоль проволоки. Подобные модели, показавшие возможность воспроизведения некоторых свойств и проявлений живого посредством физико-химических явлений, основаны на внешнем качественном сходстве и представляют лишь исторический интерес.

Позднее более сложные модели, основанные на гораздо более глубоком количественном подобии, строились на принципах электротехники и электроники. Так, на основе данных электрофизиологических исследований были построены электронные схемы, моделирующие биоэлектрические потенциалы в нервной клетке, её отростке и в синапсе. Построены также механические машины с электронным управлением, моделирующие сложные акты поведения (образование условного рефлекса, процессы центрального торможения и пр.).

Значительно большие успехи достигнуты в моделировании физико-химических условий существования живых организмов или их органов и клеток. Так, подобраны растворы неорганических и органических веществ (растворы Рингера, Локка, Тироде и др.), имитирующие внутреннюю среду организма и поддерживающие существование изолированных органов или культивируемых вне организма клеток.

Модели биологических мембран (плёнка из природных фосфолипидов разделяет раствор электролита) позволяют исследовать физико-химические основы процессов транспорта ионов и влияние на него различных факторов. С помощью химических реакций, протекающих в растворах в автоколебательном режиме, моделируют колебательные процессы, характерные для многих биологических феноменов, - дифференцировки, морфогенеза, явлений в сложных нейронных сетях и т. д.

Математические модель (математическое и логико-математическое описания структуры, связей и закономерностей функционирования живых систем) строятся на основе данных эксперимента или умозрительно, формализованно описывают гипотезу, теорию или открытую закономерность того или иного биологического феномена и требуют дальнейшей опытной проверки. Различные варианты подобных экспериментов выявляют границы применения математической модели и дают материал для её дальнейшей корректировки. Математическая модель в отдельных случаях позволяет предсказать некоторые явления, ранее не известные исследователю. Так, модель сердечной деятельности, предложенная голландскими учёными ван дер Полом и ван дер Марком, основанная на теории релаксационных колебаний, указала на возможность особого нарушения сердечного ритма, впоследствии обнаруженного у человека. Из математической модели физиологических явлений следует назвать также модель возбуждения нервного волокна, разработанную английскими учёными А. Ходжкином и А. Хаксли. На основе теории нервных сетей американских учёных У. Мак-Каллока и У. Питса строятся логико-математические модели взаимодействия нейронов. Системы дифференциальных и интегральных уравнений положены в основу моделирования биоценозов (В. Вольтерра, А.Н. Колмогоров). Марковская математическая модель процесса эволюции построена О.С. Кулагиной и А.А. Ляпуновым. И.М. Гельфандом и М.Л. Цетлиным на основе теории игр и теории конечных автоматов разработаны модельные представления об организации сложных форм поведения. В частности, показано, что управление многочисленными мышцами тела строится на основе выработки в нервной системе некоторых функциональных блоков - синергий, а не путём независимого управления каждой мышцей. Создание и использование математических и логико-математических М., их совершенствование способствуют дальнейшему развитию математической и теоретической биологии.

Метод моделирования в биологии является средством, позволяющим устанавливать все более глубокие и сложные взаимосвязи между биологической теорией и опытом. В последнее столетие экспериментальный метод в биологии начал наталкиваться на определенные границы, и выяснилось, что целый ряд исследований невозможен без моделирования. Если остановиться на некоторых примерах ограничений области применения эксперимента, то они будут в основном следующими: (19 с 15)

• - эксперименты могут проводиться лишь на ныне существующих объектах (невозможность распространения эксперимента в область прошлого);
• - вмешательство в биологические системы иногда имеет такой характер, что невозможно установить причины появившихся изменений (вследствие вмешательства или по другим причинам);
• - некоторые теоретически возможные эксперименты неосуществимы вследствие низкого уровня развития экспериментальной техники;
• - большую группу экспериментов, связанных с экспериментированием на человеке, следует отклонить по морально - этическим соображениям.

Но моделирование находит широкое применение в области биологии не только из-за того, что может заменить эксперимент. Оно имеет большое самостоятельное значение, которое выражается, по мнению ряда авторов (19, 20,21), в целом ряде преимуществ:

• 1. С помощью метода моделирования на одном комплексе данных можно разработать целый ряд различных моделей, по-разному интерпретировать исследуемое явление, и выбрать наиболее плодотворную из них для теоретического истолкования;
• 2. В процессе построения модели можно сделать различные дополнения к исследуемой гипотезе и получить ее упрощение;
• 3. В случае сложных математических моделей можно применять ЭВМ;
• 4. Открывается возможность проведения модельных экспериментов (синтез аминокислот по Миллеру) (19 с 152).

Все это ясно показывает, что моделирование выполняет в биологии самостоятельные функции и становится все более необходимой ступенью в процессе создания теории. Однако моделирование сохраняет свое эвристическое значение только тогда, когда учитываются границы применения всякой модели.

Этапы проведения биологического исследования

	Описание
1. Постановка проблемы	Выработка четкой постановки проблемы.
2. Предполагаемое решение, формулирование гипотезы	Формулирование ожидаемых результатов и их научного значения с опорой на уже известные данные
3. Планирование исследования	Разработка порядка проведения исследования: разработка последовательности осуществления отдельных этапов исследования
4. Проведение исследования	Подбор необходимых биологических объектов, приборов, реактивов. Проведение различных этапов исследования. Сбор и запись наблюдений, измеряемых величин и результатов
5. Подведение итогов	Сравнение полученных результатов с гипотезой, научное объяснение результатов, формулирование выводов

В настоящее время в различных отраслях биологической науки широко используют метод моделирования (фр. modele - "образец", "прообраз"), когда на специально созданной модели воспроизводят характеристики изучаемого объекта. При этом между моделью и объектом, интересующим исследователя, должно быть известное подобие. Моделирование широко используется, если объект исследования очень сложный (многокомпонентный) или труднодоступный для непосредственного наблюдения. В этих случаях моделирование помогает не только выявить свойства и взаимозависимости изучаемого объекта, но и представить его характеристики в изменяющихся условиях.

Биология – наука о живой природе. Многообразие живой природы настолько велико, что современная биология представляет собой комплекс биологических наук, значительно отличающихся одна от другой. При этом каждая имеет собственный предмет изучения, методы, цели и задачи.

Биологические науки можно разделить по направлениям исследований.

1. Науки, изучающие систематические группы живых организмов: вирусология – наука о вирусах, микробиология – наука о микроорганизмах, микология – наука о грибах, ботаника (фитология) – наука о растениях, зоология – наука о животных, антропология – наука о человеке.

2. Науки, изучающие разные уровни организации всего живого: молекулярная биология – наука о свойствах и проявлении жизни на молекулярном уровне, цитология – наука о клетках, гистология – наука о тканях.

3. Науки, изучающие структуру, свойства и проявление жизни отдельных организмов: анатомия - наука о внутреннем строении, морфология – наука о внешнем строении, физиология – наука о жизнедеятельности целостного организма и его частей, генетика – наука о наследственности и изменчивости организмов.

4. Науки, изучающие структуру, свойства и проявление коллективной жизни и сообществ живых организмов: экология – наука об отношении живых организмов между собой и окружающей средой, биогеография – наука о закономерностях географического распространения живых организмов.

5. Науки о развитии живой материи: биология индивидуального развития – наука о развитии живого организма от момента его зарождения до смерти, эволюционное учение – наука об историческом развитии живой природы, палеонтология – наука о развитии жизни в прошлые геологические времена.

6. Науки, использующие различные методы исследований: биохимия – наука о живых веществах и процессах в живых организмах; биофизика – наука о физических и физико-химических явлениях в живых организмах.

7. Прикладные науки: биотехнология –совокупность методов получения полезных для человека продуктов и явлений с помощью живых организмов, бионика – разработка технических устройств по подобию живых систем, растениеводство, животноводство, ветеринария и др.

Задачи биологии: изучение закономерностей проявления жизни в строение и функций живых организмов и их сообществ, распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и неживой природой); раскрытие сущности жизни; систематизация многообразия живых организмов.

Методы биологических исследований. Современная биология располагает широким набором методов исследования. Основными являются следующие методы. Метод наблюдения и описания заключается в сборе на анализе сходства и различий изучаемых объектов.

Исторический метод изучает ход развития исследуемого объекта. Метод эксперимента дает возможность изучать явления природы в заданных условиях.

Метод моделирования позволяет описывать сложные природные явления относительно простыми моделями.

Связь с другими науками. Биология тесно связана с фундаментальными науками (математикой, физикой, химией), естественными (геологией, географией, почвоведением), общественными (психологией).