Наиболее значимыми событиями первой половины XIX века стали становление палеонтологии и биологических основ стратиграфии, возникновение клеточной теории, формирование сравнительной анатомии и сравнительной эмбриологии. Центральными событиями второй половины XIX века стали публикация «Происхождения видов» Чарлза Дарвина и распространение эволюционного подхода во многих биологических дисциплинах.
Клеточная теория
Клеточная теория была сформулирована в 1839г. немецким зоологом и физиологом Т. Шванном. Согласно этой теории, всем организмам присуще клеточное строение. Клеточная теория утверждала единство животного и растительного мира, наличие единого элемента тела живого организма -- клетки. Как и всякое крупное научное обобщение, клеточная теория не возникла внезапно: ей предшествовали отдельные открытия различных исследователей.
В начале XIX в. предпринимались попытки изучения внутреннего содержимого клетки. В 1825г. чешский ученый Я. Пуркине открыл ядро в яйцеклетке птиц. В 1831г. английский ботаник Р. Броун впервые описал ядро в клетках растений, а в 1833г. он пришел к выводу, что ядро является обязательной частью растительной клетки. Таким образом, в это время меняется представление о строении клетки: главным в ее организации стали считать не клеточную стенку, а содержимое.
Наиболее близко к формулировке клеточной теории подошел немецкий ботаник М. Шлейден, который установил, что тело растений состоит из клеток.
Многочисленные наблюдения относительно строения клетки, обобщение накопленных данных позволили Т. Шванну в 1839 г. сделать ряд выводов, которые впоследствии назвали клеточной теорией. Ученый показал, что все живые организмы состоят из клеток, что клетки растений и животных принципиально схожи между собой.
Клеточная теория включает следующие основные положения:
1) Клетка -- элементарная единица живого, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению и являющаяся единицей строения, функционирования и развития всех живых организмов.
2) Клетки всех живых организмов сходны по строению, химическому составу и основным проявлениям жизнедеятельности.
3) Размножение клеток происходит путем деления исходной материнской клетки.
4) В многоклеточном организме клетки специализируются по функциям и образуют ткани, из которых построены органы и их системы, связанные между собой межклеточными, гуморальными и нервными формами регуляции.
Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии как науки, послужила фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она позволила создать основы для понимания жизни, индивидуального развития организмов, для объяснения эволюционной связи между ними. Основные положения клеточной теории сохранили свое значение и сегодня, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клетки.
Эволюционная теория Ч. Дарвина
Переворот в науке произвела книга великого английского ученого-натуралиста Чарльза Дарвина «Происхождения видов», написанная в 1859 году. Обобщив эмпирический материал современной ему биологии и селекционной практики, использовав результаты собственных наблюдений во время путешествий, он раскрыл основные факторы эволюции органического мира. В книге «Изменение домашних животных и культурных растений» (1868) он изложил дополнительный фактический материал к основному труду. В книге «Происхождение человека и половой отбор» (1871) выдвинул гипотезу происхождения человека от обезьяноподобного предка.
Сущность дарвиновской концепции эволюции сводится к ряду логичных, проверяемых в эксперименте и подтвержденных огромным количеством фактических данных положений:
1) В пределах каждого вида живых организмов существует огромный размах индивидуальной наследственной изменчивости по морфологическим, физиологическим, поведенческим и любым другим признакам. Эта изменчивость может иметь непрерывный, количественный, или прерывистый качественный характер, но она существует всегда.
2) Все живые организмы размножаются в геометрической прогрессии.
3) Жизненные ресурсы для любого вида живых организмов ограничены, и поэтому должна возникать борьба за существование либо между особями одного вида, либо между особями разных видов, либо с природными условиями. В понятие «борьба за существование» Дарвин включил не только собственно борьбу особи за жизнь, но и борьбу за успех в размножении.
4) В условиях борьбы за существование выживают и дают потомство наиболее приспособленные особи, имеющие те отклонения, которые случайно оказались адаптивными к данным условиям среды. Это принципиально важный момент в аргументации Дарвина. Отклонения возникают не направленно -- в ответ на действие среды, а случайно. Немногие из них оказываются полезными в конкретных условиях. Потомки выжившей особи, которые наследуют полезное отклонение, позволившее выжить их предку, оказываются более приспособленными к данной среде, чем другие представители популяции.
5) Выживание и преимущественное размножение приспособленных особей Дарвин назвал естественным отбором.
6) Естественный отбор отдельных изолированных разновидностей в разных условиях существования постепенно ведет к дивергенции (расхождению) признаков этих разновидностей и, в конечном счете, к видообразованию.
В основе теории Дарвина - свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом - свойство наследственности. Наследственность вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе эволюции живой природы. Одно из основных понятий своей теории эволюции - понятие "борьба за существование" - Дарвин употреблял для обозначения отношений между организмами, а также отношений между организмами и абиотическими условиями, приводящих к гибели менее приспособленных и выживанию более приспособленных особей.
Дарвин выделил две основные формы изменчивости:
Определенную изменчивость - способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, почву);
Неопределенную изменчивость, характер которой не соответствует изменениям внешних условий.
В современной терминологии неопределенная изменчивость называется мутацией. Мутация - неопределенная изменчивость в отличие от определенной носит наследственный характер. По Дарвину, незначительные изменения в первом поколении усиливаются в последующих. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играет именно неопределенная изменчивость. Она связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые оказываются перспективными. Неизбежным результатом борьбы за существование и наследственной изменчивости организмов, по Дарвину, является процесс выживания и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных - естественный отбор.
Механизм естественного отбора в природе действует аналогично селекционерам, т.е. складывает незначительные и неопределенные индивидуальные различия и формирует из них у организмов необходимые приспособления, а также межвидовые различия. Этот механизм выбраковывает ненужные формы и образовывает новые виды. Дарвинизм: история и современность. М.,Наука,1985
Тезис о естественном отборе наряду с принципами борьбы за существование, наследственности и изменчивости - основа дарвиновской теории эволюции.
Клеточная теория и учение Дарвина об эволюции - это самые значительные достижения биологии XIX века. Но я думаю, что следует упомянуть и о других достаточно важных открытиях.
С развитием физики и химии происходят и изменения в медицине. С течением времени областей применения электричества становится все больше. Его использование в медицине положило начало электро- и ионофорезу. Открытие Х-лучей Рентгеном вызвало особый интерес у врачей. Физические лаборатории, где создавалась аппаратура, используемая Рентгеном для получения Х-лучей, атаковались врачами и их пациентами, подозревавшими, что в них находятся когда-то проглоченные иголки, пуговицы и т.д. История медицины до этого не знала столь быстрой реализации открытий в области электричества, как это случилось с новым диагностическим средством - рентгеновскими лучами.
С конца XIX века начинаются опыты на животных для определения пороговых - опасных - значений тока и напряжения. Определение этих значений вызвалось необходимостью создания защитных мероприятий.
Немало важным открытием в области медицины и биологии стало открытие витаминов. Еще в 1820 году наш соотечественник П. Вишневский впервые высказал предположение о существовании в противоцинготных продуктах некоего вещества, которое способствует правильной жизнедеятельности организма. Собственно открытие витаминов принадлежит Н. Лунину, доказавшему в 1880 году, что в состав пищи входят некие жизненно важные элементы. Термин "витамины" образован от латинских корней: "вита" - жизнь и "амин" - соединение азота.
В XIX веке начинается борьба с инфекционными заболеваниями. Английский врач Дженнер изобрел вакцину, Роберт Кох открыл возбудитель туберкулеза - палочку Коха, а также разработал профилактические меры против эпидемий и создал лекарства.
Микробиология
Луи Пастер подарил миру новую науку - микробиологию.
Этот человек, сделавший ряд ярчайших открытий, должен был всю жизнь отстаивать свои истины в бесполезных спорах. Естествоиспытатели всего мира вели споры о том, существует или нет «самозарождение» живых организмов. Пастер не спорил, Пастер работал. Почему бродит вино? Почему скисает молоко? Пастер установил, что процесс брожения - процесс биологический, вызываемый микробами.
В лаборатории Пастера до сих пор стоит колба удивительной формы - хрупкое сооружение с причудливо выгнутым носиком. Более 100 лет назад в неё влили молодое вино. Оно не скисло и по сей день - секрет формы бережет его от микробов брожения.
Опыты Пастера имели большое значение для создания методов стерилизации и пастеризации (нагревание жидкости до 80оС, чтобы убить микроорганизмы, и последующее быстрое ее охлаждение) различных продуктов. Он разработал методы предохранительных прививок против заразных болезней. Его исследования послужили основой для учений об иммунитете.
Генетика
В 1865 году были опубликованы результаты работ по гибридизации сортов гороха, где были открыты важнейшие законы наследственности. Автор этих работ - чешский исследователь Грегор Мендель показал, что признаки организмов определяются дискретными наследственными факторами. Однако эти работы оставались практически неизвестными почти 35 лет - с 1865 по 1900.
Важнейшие открытия в биологии
1. Микроорганизмы (1674)
C помощью микроскопа, Антон ван Левенгук, случайно обнаруживает микроорганизмы в капле воды. Его наблюдения заложили основу науки бактериологии и микробиологии.
2. Клеточное ядро (1831)
При изучении орхидеи ботаник Роберт Браун описывает структуру внутри клеток, клетку он называет «ядром».
3. Археи (1977)
Карл Везе обнаруживает бактерии без ядра. Многие организмы, классифицированных в новом царстве археи являются -экстремофилы. Некоторые из них живут при очень высоких или низких температурах, другие в очень соленой, кислой или щелочной воде.
4. Клеточное деление (1879)
Вальтер Флемминг осторожно отмечает, что животные клетки делятся этапами, что составляет процесс митоза. Эдуард Страсбургер самостоятельно определяет аналогичный процесс клеточного деления в клетках растений.
Экономические взаимосвязи изучаются наукой – эконометрикой. Как правило, общие глобальные процесс представляют собой глубоко не линейную систему взаимосвязей. Однако по теории больших чисел возможно прогнозирование тренда на основе анализа основных, определяющих факторов.
Программирование позволяет рассчитывать средние значения процессов: онлайн-калькулятор по статистике позволяет это сделать достаточно быстро.
=========================================================================
5. Sex Cells (1884)
Август Вейсман определяет, что половые клетки должны быть разделены по-разному, чтобы в итоге получить только половину хромосомного набора. Это особый вид половых клеток называется мейоза. Эксперименты Вейсмана с медузами привели его к выводу, что изменения у потомства возникают в результате объединения вещества от родителей. Он ссылается на это вещество, как "зародышевая плазма".
6. Дифференцировки клеток (конец 19 века)
Некоторые ученые участвуют в открытии клеточной дифференцировки, что в конечном итоге приводит к выделению эмбриональных стволовых клеток человека. В дифференциации клетки превращается в один из многих типов клеток, составляющих организм, например, легкого, кожи или мышцы.
Некоторые гены активируются, а другие инактивируется, так что клетка развивается структурно для выполнения определенной функции. Клетки, которые еще не дифференцированы и имеют потенциал, чтобы стать любым типом клеток, называются стволовыми клетками.
7. Митохондрии (конец 19 века по настоящее время)
Ученые выяснили, что митохондрии являются электростанцией клетки. Эти небольшие структуры в клетках животных отвечают за обмен веществ и преобразования пищи в клетках, в химические вещества, которые можно использовать. Первоначально считалось, что они являются специализированными бактериями со своей ДНК.
8. Цикл Кребса (1937)
Ханс Кребс определяет этапы состояния клетки, необходимые для преобразования сахара, жиров и белков в энергию. Это так же известно как цикл лимонной кислоты, - это ряд химических реакций с использованием кислорода в составе клеточного дыхания. Цикл вносит свой вклад в распад углеводов, жиров и белков в диоксид углерода и воду.
9. Нейротрансмиссия (конец 19-начало 20 века)
Ученые открыли нейротрансмиттеры - тела, для передачи сигналов от одной нервной клетки к другой через химические вещества или электрические сигналы.
10. Гормоны (1903)
Уильям Бэйлисс и Эрнест Старлинг дают гормоном свое имя и показывают их роль в качестве химических посредников. Они специально описывают секретин, вещество, которое выбрасывается в кровь из двенадцатиперстной кишки (между желудком и тонкой кишкой), оно стимулирует секрецию желудочного сока поджелудочной железы в кишечник.
11. Фотосинтез (1770)
Ян Ингенхоус (Ingenhousz) обнаруживает, что растения реагируют на солнечный свет иначе, чем на тени. Это заложило основу понимания фотосинтеза. Фотосинтез - это процесс, в котором растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют энергию света в химическую энергию. У растений, листья поглощают углекислый газ, а корни всасывают воду. Солнечный свет катализирует реакцию, которая приводит к выработке глюкозы (пищи для растений) и кислорода, который является отходами жизнедеятельности, попадает в окружающую среду. Почти все живое на Земле, в конечном счете, зависит от этого процесса.
12. Экосистема (1935)
Артур Джорж Тенсли
Артур Джордж Тенсли вводит термин экосистема. Экосистемы определяются как динамичное и сложное целое, которые действует как экологический блок.
13. Тропическое биоразнообразие (15-го века по настоящее время)
В экспедициях по всему миру, ранние европейские исследователи сообщали о том, что в тропиках находится гораздо большее разнообразие видов. Ответ на вопрос, почему это так, позволяет ученым сегодня, защитить жизнь на Земле.
Учёные, их вклад в развитие биологии .
УчёныйЕго вклад в развитие биологии
Гиппократ 470-360 до н.э.
Первый учёный, создавший медицинскую школу. Древнегреческий врач, сформулировал учение о четырёх основных типах телосложения и темперамента, описал некоторые кости черепа, позвонки, внутренние органы, суставы, мышцы, крупные сосуды.
Аристотель
Один из основателей биологии как науки, впервые обобщил биологические знания, накопленные до него человечеством. Создал систематику животных, посвятил многие работы происхождению жизни.
Клавдий Гален
130-200 н.э.
Древнеримский учёный и врач. Заложил основы анатомии человека. Медик, хирург и философ. Гален внёс весомый вклад в понимание многих научных дисциплин, включая анатомию, физиологию, патологию, фармакологию и неврологию, а также философию и логику.
Авиценна 980-1048 г.
Выдающийся учёный в области медицины. Автор многих книг и работ по восточной медицине. Самый известный и влиятельный философ-учёный средневекового исламского мира. От того времени в современной анатомической номенклатуре сохранилось множество арабских терминов.
Леонардо да Винчи 1452-1519
Описал многие растения, изучал строение тела человека, деятельность сердца, зрительную функцию. Сделал 800 точных рисунков костей, мышц, сердца и научно описал их. Его рисунки – первые анатомически верные изображения тела человека, его органов, систем органов с натуры.
Андреас Везалий
1514-1564
Основоположник описательной анатомии. Создал труд «О строении человеческого тела».
Везалий исправил свыше 200 ошибок канонизированного античного автора. Также исправил ошибку Аристотеля о том, что мужчина имеет 32 зуба, а женщина 38. Классифицировал зубы на резцы, клыки и моляры. Трупы ему приходилось тайно добывать на кладбище, так как в то время вскрытие трупа человека было запрещено церковью.
Уильям Гарвей
Открыл круги кровообращения.
ГАРВЕЙ Уильям (1578-1657), английский врач, основатель современных наук физиологии и эмбриологии. Описал большой и малый круги кровообращения. Заслугой Гарвея,
в частности, является то, что именно он
экспериментально доказал наличие замкнутого
круга кровообращения у человека, частями
которого являются артерии и вены, а сердце –
насосом. Впервые высказал мысль, что «все живое происходит из яйца».
Карл Линней 1707-1778
Линней - создатель единой системы классификации растительного и животного мира, в которой были обобщены и в значительной степени упорядочены знания всего предыдущего периода развития . Среди главных заслуг Линнея - введение точной терминологии при описании биологических объектов, внедрение в активное употребление , установление чёткого соподчинения между .
Карл Эрнст Бэр
Профессор Петербургской медико-хирургической академии. Открыл яйцеклетку у млекопитающих, описал стадию бластулы, изучил эмбриогенез цыпленка, установил сходство эмбрионов высших и низших животных, теорию последовательного появление в эмбриогенезе признаков типа, класса, отряда и т.п. Изучая внутриутробное развитие, установил, что зародыши всех животных на ранних этапах развития схожи. Основатель эмбриологии, сформулировал закон зародышевого сходства (установил основные типы эмбрионального развития).
Жан Батист Ламарк
Биолог, создавший первую целостную теорию эволюции живого мира.
Ламарк ввел термин " биология " (1802).
Ламарку принадлежат два закона эволюции:
1. Витализм. Живыми организмами управляет внутреннее стремление к совершенствованию. Изменения условий сразу вызывают изменения привычек и посредством упражнений соответствующие органы изменяются.
2. Приобретенные изменения наследуются.
Жорж Кювье
Создатель палеонтологии – науки об ископаемых животных и растениях. Автор «теории катастроф»: после катастрофических событий, уничтожавших животных, возникали новые виды, но проходило время, и снова происходила катастрофа, приводившая к вымиранию живых организмов, но природа возрождала жизнь, и появлялись хорошо приспособленные к новым условиям окружающей среды виды, затем снова погибавшие во время страшной катастрофы.
Т.Шванн и М. Шлейден
Ч. Дарвин
1809-1882г.
Создал теорию эволюции, эволюционное учение.
Сущность эволюционного учения заключается в следующих основных положениях:
Все виды живых существ, населяющих Землю, никогда не были кем-то созданы.
Возникнув естественным путем, органические формы медленно и постепенно преобразовывались и совершенствовались в соответствии с окружающими условиями.
В основе преобразования видов в природе лежат такие свойства организмов, как наследственность и изменчивость, а также постоянно происходящий в природе естественный отбор. Естественный отбор осуществляется через сложное взаимодействие организмов друг с другом и с факторами неживой природы; эти взаимоотношения Дарвин назвал борьбой за существование.
Результатом эволюции является приспособленность организмов к условиям их обитания и многообразие видов в природе.
Г. Мендель
1822-1884г.
Основоположник генетики как науки.
1 закон
:
Единообразие
гибридов первого поколения. При скрещивании двух гомозиготных организмов, относящихся к разным чистым линиям и отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных проявлений признака, всё первое поколение гибридов (F1) окажется единообразным и будет нести проявление признака одного из родителей.
2 закон
:
Расщепление
признаков. При скрещивании двух гетерозиготных потомков первого поколения между собой во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом отношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1.
3 закон
: Закон
независимого наследования
. При скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по двум (и более) парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.
Карл Максимович
Бэр
Основоположник сравнительной эмбриологии. Бэр установил сходство эмбрионов высших и низших , последовательное появление в эмбриогенезе признаков типа, класса, отряда и т. д.; описал развитие всех основных органов позвоночных.
Николай Алексеевич Северцов
Особенно много внимания он уделял изучению птиц- он был одним из крупнейших орнитологов своего времени.
А.И.Опарин
Теория происхождения жизни на Земле. «О возникновении жизни», в котором предложил теорию возникновения жизни из бульона органических веществ. В середине XX века были экспериментально получены сложные органические вещества при пропускании электрических зарядов через смесь газов и паров, которая гипотетически совпадает с составом атмосферы древней Земли.
Луи Пастер
Основоположник микробиологии. Разработал методы прививок против заразных болезней.(сибирская язва, краснуха, бешенство)
С.Г. Навашин
Открыл двойное оплодотворение у растений
Р. Кох 1843-1910
Один из основателей микробиологии. В 1882 году Кох сообщил о своем открытии возбудителя туберкулеза, за которое был удостоен Нобелевской премии и мировой славы. В 1883 году опубликована еще одна классическая работа Коха – о возбудителе холеры. Этот выдающийся успех был достигнут им в результате изучения холерных эпидемий в Египте и Индии.
Д. И. Ивановский 1864-1920г.
Русский физиолог растений и микробиолог, основоположник вирусологии. Открыл вирусы.
Установил наличие фильтрующихся вирусов, являвшихся причинами болезни наряду с видимыми в микроскоп микробами. Это дало начало новой отрасли науки - вирусологии, которая получила бурное развитие в 20 в.
И. Мечников
1845-1916г.
Заложил основы иммунологии. Российский биолог и патолог, один из основоположников сравнительной патологии, эволюционной эмбриологии и отечественной микробиологии, иммунологии, создатель учения о фагоцитозе и теории иммунитета, создатель научной школы, член-корреспондент (1883), почетный член (1902) Петербургской АН. Совместно с Н. Ф. Гамалеей основал (1886) первую в России бактериологическую станцию. Открыл (1882) явление фагоцитоза. В трудах «Невосприимчивость в инфекционных болезнях» (1901) изложил фагоцитарную теорию иммунитета. Создал теорию происхождения многоклеточных организмов.
Л. Пастер 1822-1895г.
Заложил основы иммунологии.
Л. Пастер является основоположником научной иммунологии, хотя и до него был известен метод предупреждения оспы путем заражения людей коровьей оспой, разработанный английским врачом Э. Дженнером. Однако этот метод не был распространен на профилактику других болезней.
И. Сеченов
1829-1905г.
Физиолог. Заложил основы изучения высшей нервной деятельности. Сеченов открыл так называемое центральное торможение - особые механизмы в головном мозге лягушки, подавляющие или угнетающие рефлексы. Это было совершенно новое явление, которое получило название "сеченовского торможения". Открытое Сеченовым явление торможения позволило установить, что вся нервная деятельность складывается из взаимодействия двух процессов - возбуждения и торможения.
И. Павлов 1849-1936г.
Физиолог. Заложил основы изучения высшей нервной деятельности. Создал учение об условных рефлексах. Далее идеи И. М. Сеченова получили развитие в трудах И.П. Павлова, который открыл пути объективного экспериментального исследования функций коры, разработал метод выработки условных рефлексов и создал учение о высшей нервной деятельности. Павлов в своих трудах ввел деление рефлексов на безусловные, которые осуществляются врожденными, наследственно закрепленными нервными путями, и условные, которые, осуществляются посредством нервных связей, формирующихся в процессе индивидуальной жизни человека или животного.
Гуго
де
Фриз
Создал мутационную теорию. Гуго де Фриз (1848–1935) - голландский ботаник и генетик, один из основателей учения об изменчивости и эволюции, провёл первые систематические исследования мутационного процесса. Исследовал явление плазмолиза (сокращения клеток в растворе, концентрация которого выше концентрации их содержимого) и в итоге разработал метод определения осмотического давления в клетке. Ввёл понятие «изотонический раствор».
Т. Морган 1866-1943г.
Создал хромосомную теорию наследственности.
Основным объектом, с которым работали Т. Морган и его ученики, была плодовая мушка дрозофила, имеющая диплоидный набор из 8 хромосом. Эксперименты показали что гены, находящиеся в одной хромосоме при мейозе попадают в одну гамету, т. е. наследуются сцепленно. Это явление получило название закона Моргана. Было также показано что у каждого гена в хромосоме есть строго определенное место - локус.
В. И. Вернадский
1863-1945
Основал учение о биосфере. Идеи Вернадского сыграли выдающуюся роль в становлении современной научной картины мира. В центре его естественнонаучных и философских интересов - разработка целостного учения о биосфере, живом веществе (организующем земную оболочку) и эволюции биосферы в ноосферу, в которой человеческий разум и деятельность, научная мысль становятся определяющим фактором развития, мощной силой, сравнимой по своему воздействию на природу с геологическими процессами. Учение Вернадского о взаимоотношении природы и общества оказало сильное влияние на формирование современного экологического сознания.
1884-1963
Разработал учение о факторах эволюции. Ему принадлежат многочисленные труды по вопросам эволюционной морфологии, по изучению закономерностей роста животных, по вопросам о факторах и закономерностях эволюционного процесса. Ряд работ посвящен истории развития и сравнительной анатомии. Предложил свою теорию роста животных организмов, в основе к-рой лежит представление об обратном соотношении между скоростью роста организма и скоростью его дифференцировки. В ряде исследований разработал теорию стабилизирующего отбора как существенного фактора эволюции. С 1948 занимается изучением вопроса о происхождении наземных позвоночных.
Дж. Уотсон (1928г.) и Ф. Крик (1916- 2004г)
1953г. Установили структуру ДНК. Джеймс Дьюи Уотсон – американский специалист по молекулярной биологии, генетик и зоолог; более всего известен участием в открытии структуры ДНК в 1953-м. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине.
После успешного окончания Университета Чикаго и Университета Индианы Уотсон некоторое время вел исследования по химии вместе с биохимиком Германом Калькаром в Копенгагене. Позже он перебрался в лабораторию Кэвендиша при Университете Кембриджа, где ему впервые довелось встретить его будущего коллегу и товарища Фрэнсиса Крика.
Достижения биологии в современных вариантах систематики жизни
На основании последних научных достижений современной биологической науки дано следующее определение жизни: «Жизнь – это открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы совокупностей живых организмов, построенные из сложных биологических полимеров – белков и нуклеиновых кислот» (И. И. Мечников).
Достижения биологии последнего времени привели к возникновению принципиально новых направлений в науке. Раскрытие молекулярного строения структурных единиц наследственности (генов) послужило основой для создания генной инженерии. С помощью ее методов создают организмы с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных признаков и свойств. Она открывает возможности выведения новых сортов культурных растений и высокопродуктивных пород животных, создания эффективных лекарственных препаратов и т.д.
Живая природа устроила себя гениально просто и мудро. У нее есть единственная самовоспроизводящая молекула ДНК, на которой записана программа жизни, а конкретнее, весь процесс синтеза, структура и функция белков как основных элементов жизни. Кроме сохранения программы жизни молекула ДНК выполняет еще одну важнейшую функцию – ее самовоспроизведение, копирование создают преемственность между поколениями, непрерывность нити жизни. Единожды возникнув, жизнь самовоспроизводится в огромном разнообразии, которое обеспечивает ее устойчивость, приспособленность к разнообразным условиям среды и эволюцию.
Современные биотехнологии
Современная биология – область стремительных и фантастических преобразований в биотехнологии.
Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. На их базе освоено массовое производство искусственных белков, питательных и многих других веществ, по многим свойствам превосходящих продукты естественного происхождения. Успешно развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т.п. С применением генных технологий и естественных биоорганических материалов синтезируются биологически активные вещества - гормональные препараты и соединения, стимулирующие иммунитет.
Современная биотехнология позволяет превратить отходы древесины, соломы и другое растительное сырье в ценные питательные белки. Она включает процесс гидролизации промежуточного продукта - целлюлозы - и нейтрализацию образующейся глюкозы с введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорганизмов – дрожжевых грибков. В результате жизнедеятельности микроорганизмов образуется светло-коричневый порошок – высококачественный пищевой продукт, содержащий около 50% белка-сырца и различные витамины. Питательной средой для дрожжевых грибков могут служить и такие содержащие сахар растворы, как паточная барда и сульфитный щелок, образующийся при производстве целлюлозы.
Некоторые виды грибков превращают нефть, мазут и природный газ в пищевую биомассу, богатую белками. Так, из 100 т неочищенного мазута можно получить 10 т дрожжевой биомассы, содержащей 5 т чистого белка и 90 т дизельного топлива. Столько же дрожжей производится из 50 т сухой древесины или 30 тыс. м3 природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо коров из 10 000 голов, а для их содержания нужны огромные площади пахотных земель. Промышленное производство белков полностью автоматизировано, и дрожжевые культуры растут в тысячи раз быстрее, чем крупный рогатый скот. Одна тонна пищевых дрожжей позволяет получить около 800 кг свинины, 1,5-2,5 т птицы или 15-30 тыс. яиц и сэкономить при этом до 5 т зерна.
Практическое применение достижений современной биологии уже в настоящее время позволяет получать промышленным путем значительные количества биологически активных веществ.
Биотехнология, по-видимому, уже в ближайшие десятилетия займет лидирующее положение и, возможно, определит лицо цивилизации XXI века.
Генные технологии
Генетика – важнейшая область современной биологии.
На основе генной инженерии родилась современная биотехнология. В мире сейчас колоссальное количество фирм, занимающихся бизнесом в этой области. Они делают все: от лекарств, антител, гормонов, пищевых белков до технических вещей – сверхчувствительных датчиков (биосенсоров), компьютерных микросхем, хитиновых диффузоров для хороших акустических систем. Генно-инженерная продукция завоевывает мир, она безопасна в экологическом отношении.
На начальной стадии развития генных технологий был получен ряд биологически активных соединений - инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем биотехнологии, медицины и сельского хозяйства.
Генные технологии основаны на методах молекулярной биологии и генетики, связанных с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Основная операция генной технологии заключается в извлечении из клеток организма гена, кодирующего нужный продукт, или группы генов и соединение их с молекулами ДНК, способными размножаться в клетках другого организма.
ДНК, хранящаяся и работающая в клеточном ядре, воспроизводит не только саму себя. В нужный момент определенные участки ДНК – гены – воспроизводят свои копии в виде химически подобного полимера – РНК, рибонуклеиновой кислоты, которые в свою очередь служат матрицами для производства множества необходимых организму белков. Именно белки определяют все признаки живых организмов. Основная цепь событий на молекулярном уровне:
ДНК -> РНК -> белок
В этой строчке заключена так называемая центральная догма молекулярной биологии.
Генные технологии привели к разработке современных методов анализа генов и геномов, а они, в свою очередь, - к синтезу, т.е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов. К настоящему времени установлены нуклеотидные последовательности разных микроорганизмов, включая промышленные штаммы, и те, которые нужны для исследования принципов организации геномов и для понимания механизмов эволюции микробов. Промышленные микробиологи, в свою очередь, убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промышленных штаммов позволит «программировать» их на то, чтобы они приносили большой доход.
Клонирование эукариотных (ядерных) генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию микробиологии. Фрагменты геномов животных и растений для их анализа клонируют именно в микроорганизмах. Для этого в качестве молекулярных векторов, переносчиков генов, используют искусственно созданные плазмиды, а также множество других молекулярных образований для выделения и клонирования.
С помощью молекулярных проб (фрагментов ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) можно определять, скажем, заражена ли донорская кровь вирусом СПИДа. А генные технологии для идентификации некоторых микробов позволяют следить за их распространением, например, внутри больницы или при эпидемиях.
Генные технологии производства вакцин развиваются в двух основных направлениях. Первое - улучшение уже существующих вакцин и создание комбинированной вакцины, т.е. состоящей из нескольких вакцин. Второе направление - получение вакцин против болезней: СПИДа, малярии, язвенной болезни желудка и др.
За последние годы генные технологии значительно улучшили эффективность традиционных штаммов-продуцентов. Например, у грибного штамма-продуцента антибиотика цефалоспорина увеличили число генов, кодирующих экспандазу, активность, которой задает скорость синтеза цефалоспорина. В итоге выработка антибиотика возросла на 15-40%.
Проводится целенаправленная работа по генетической модификации свойств микробов, используемых в производстве хлеба, сыроварении, молочной промышленности, пивоварении и виноделии, чтобы увеличить устойчивость производственных штаммов, повысить их конкурентоспособность по отношению к вредным бактериям и улучшить качество конечного продукта.
Генетически модифицированные микробы приносят пользу в борьбе с вредными вирусами и микробами и насекомыми. Например:
- устойчивость растений к гербицидам, что важно для борьбы с сорняками, засоряющими поля и снижающими урожай культивируемых растений. Получены и используются гербицидоустойчивые сорта хлопчатника, кукурузы, рапса, сои, сахарной свеклы, пшеницы и других растений.
- устойчивость растений к насекомым-вредителям. Разработка белка дельта-эндотоксину, продуцируемого разными штаммами бактерии Bacillus turingensis. Этот белок токсичен для многих видов насекомых и безопасен для млекопитающих, в том числе для человека.
- устойчивость растений к вирусным заболеваниям. Для этого в геном растительной клетки вводятся гены, блокирующие размножения вирусных частиц в растениях, например интерферон, нуклеазы. Получены трансгенные растения табака, томатов и люцерны с геном бета-интерферона.
Кроме генов в клетках живых организмов, в природе существуют также независимые гены. Они называются вирусами, если могут вызвать инфекцию. Оказалось, что вирус – это не что иное, как упакованный в белковую оболочку генетический материал. Оболочка – чисто механическое приспособление, как бы шприц, для того, чтобы упаковать, а затем впрыснуть гены, и только гены, в клетку-хозяина и отвалиться. Затем вирусные гены в клетке начинают репродуцировать на себе свои РНК и свои белки. Все это переполняет клетку, она лопается, гибнет, а вирус в тысячах копий освобождается и заражает другие клетки.
Болезнь, а иногда даже смерть вызывают чужеродные, вирусные белки. Если вирус «хороший», человек не умирает, но может болеть всю жизнь. Классический пример – герпес, вирус которого присутствует в организме 90% людей. Это самый приспособленный вирус, обычно заражающий человека в детском возрасте и живущий в нем постоянно.
Таким образом, вирусы – это, в сущности, изобретенное эволюцией биологическое оружие: шприц, наполненный генетическим материалом.
Теперь пример уже из современной биотехнологии, пример операции с зародышевыми клетками высших животных ради благородных целей. Человечество испытывает трудности с интерфероном – важным белком, обладающим противораковой и противовирусной активностью. Интерферон вырабатывается животным организмом, в том числе и человеческим. Чужой, не человеческий, интерферон для лечения людей брать нельзя, он отторгается организмом или малоэффективен. Человек же вырабатывает слишком мало интерферона для его выделения с фармакологическими целями. Поэтому было сделано следующее. Ген человеческого интерферона был введен в бактерию, которая затем размножалась и в больших количествах нарабатывала человеческий интерферон в соответствии с сидящим в ней человеческим геном. Сейчас эта, уже стандартная техника применяется во всем мире. Точно так же, и уже довольно давно, производится генно-инженерный инсулин. С бактериями, однако, возникает много сложностей при очистке нужного белка от бактериальных примесей. Поэтому начинают от них отказываться, разрабатывая методы введения нужных генов в высшие организмы. Это труднее, но дает колоссальные преимущества. Сейчас, в частности, уже широко распространено молочное производство нужных белков с использованием свиней и коз. Принцип здесь, очень коротко и упрощенно, таков. Из животного извлекают яйцеклетки и вставляют в их генетический аппарат, под контроль генов белков молока животного, чужеродные гены, определяющие выработку нужных белков: интерферона, или необходимых человеку антител, или специальных пищевых белков. Потом яйцеклетки оплодотворяют и возвращают в организм. Часть потомства начинает давать молоко, содержащее необходимый белок, а из молока выделить его уже достаточно просто. Получается значительно дешевле, безопаснее и чище.
Таким же путем были выведены коровы, дающие «женское» молоко (коровье молоко с необходимыми человеческими белками), пригодное для искусственного вскармливания человеческих младенцев. А это сейчас довольно серьезная проблема.
В целом можно сказать, что в практическом плане человечество достигло довольно опасного рубежа. Научились воздействовать на генетический аппарат, в том числе и высших организмов. Научились направленному, избирательному генному воздействию, продуцированию так называемых трансгенных организмов – организмов, несущих любые чужеродные гены. ДНК – это вещество, с которым можно манипулировать. В последние два-три десятилетия возникли методы, с помощью которых можно разрезать ДНК в нужных местах и склеивать с любым другим кусочком ДНК. Более того, могут вырезать и вставлять не только определенные готовые гены, но и рекомбинанты – комбинации разных, в том числе и искусственно созданных генов. Это направление получило название генной инженерии. Человек стал генным инженером. В его руках, в руках не столь уже совершенного в интеллектуальном отношении существа, появились безграничные, гигантские возможности - как у Господа Бога.
Современная цитология
Новые методы, особенно электронная микроскопия, применение радиоактивных изотопов и высокоскоростного центрифугирования, позволяют достичь огромных успехов в изучении строения клетки. В разработке единой концепции физико-химических аспектов жизни цитология все больше сближается с другими биологическими дисциплинами. При этом ее классические методы, основанные на фиксации, окрашивании и изучении клеток под микроскопом, по-прежнему сохраняют практическое значение.
Цитологические методы используются, в частности, в селекции растений для определения хромосомного состава растительных клеток. Такие исследования оказывают большую помощь в планировании экспериментальных скрещиваний и оценке полученных результатов. Аналогичный цитологический анализ проводится и на клетках человека: он позволяет выявить некоторые наследственные заболевания, связанные с изменением числа и формы хромосом. Такой анализ в сочетании с биохимическими тестами используют, например, при амниоцентезе для диагностики наследственных дефектов плода.
Однако самое важное применение цитологических методов в медицине – это диагностика злокачественных новообразований. В раковых клетках, особенно в их ядрах, возникают специфические изменения. Злокачественные образования – это не что иное, как отклонения в нормальном процессе развития вследствие выхода из-под контроля управляющих развитием систем, в первую очередь генетических. Цитология является достаточно простым и высокоинформативным методом скрининговой диагностики различных проявлений папилломавируса. Это исследование проводится как у мужчин, так и у женщин.
Клонирование
Клонирование – это процесс, в ходе которого живое существо производится от единственной клетки, взятой от другого живого существа.
Клонирование обычно определяется, как производство клеток или организмов с теми же нуклеарными геномами, что и у другой клетки или организма. Соответственно, путём клонирования можно создать любой живой организм или его часть, идентичный уже существующему или и т.д.................
Тема урока : Биология - наука о живой природе.
Основные цели и задачи : Дать ученикам 5-ого класса начальные представления о том, что такое биология и чем она занимается.
Особое внимание уделяется многообразию биологически исследований и формированию отличий живой природы от неживой.
План урока :
- Что изучает биология?
- Подразделы биологии
- Где используются достижения биологии?
- Представители живого мира
- Чем живые организмы отличаются от неживых?
Ход урока
1. Что изучает биология?
Биология как наука о живой природе занимается изучением все ее проявлений. В ее названии присутствуют два греческих слова: «биос», что означает жизнь, и «логос», что значит наука.
В биологии важны все без исключения живые организмы, от самых больших до самых крошечных. Биологи (а именно так называются ученые, которые занимаются биологией) исследуют жизнь во всех ее проявлениях. Чем же именно они занимаются:
- Изучают строение организмов;
- Исследуют процесс размножения;
- Прослеживают происхождение и взаимосвязи между отдельными группами;
- Изучают связи между объектами живой и неживой природы.
Практическое задание:
Как и в любой другой комплексной науке, в биологии есть множество подразделов. Каждым из них сконцентрирована на разных аспектах природы:
- Ботаника - наука о растениях;
- Зоология - наука о животных;
- Генетика - наука о наследственности и генах;
- Физиология - наука о жизнедеятельности целостного организма;
- Цитология - наука о клетках, изучается их строение, функционирование, размножение;
- Анатомия - наука о внутреннем строении живых организмов, расположении и взаимодействии внутренних органов;
- Морфология - наука о форме и строении организмов;
- Микробиология - наука о микроскопических веществах (микробах);
Практическое задание:
Подумайте, на чем сосредоточены следующие науки: эмбриология (наука о развитии зародышей), биогеография (наука, изучающая географическое распределение и размещение животных на планете), бионика (наука о том, как применять в технических устройствах и системах принципы, работающие в живых и неживых организмах), молекулярная биология (наука о хранении и передаче генетической информации, на уровне белков и нуклеиновых кислот), радиобиология (посвящена изучения действия излучений на биологические объекты), космическая биология (изучает возможности жизни организмов в условиях полетов на космических аппаратах и обеспечение жизнедеятельности на космических станциях), фитопатология (наука о болезнях растений), биохимия (изучает состав живых клеток и организмов).
3. Где используются достижения биологии?
Биология относится к теоретическим наукам, однако результаты исследований биологов часто имеют прикладной характер. Где же могут использоваться биологические открытия?
- Сельское хозяйство - с целью увеличения уровня сбора урожая, роста продуктивности животноводства, изобретение способов борьбы с вредителями.
- Медицина - изучение полезных свойств объектов живой и неживой природы помогает изобретать новые лекарственные средства.
- Охрана окружающей среды - биология показывает, в каких направлениях человек разрушает существующий в природе порядок вещей и помогает находить способы борьбы с этими явлениями.
4. Представители живого мира
В живом мире сегодня, как и 4 млрд. лет назад, выделяют:
- Доклеточные организмы - вирусы. Они становятся живыми только тогда, когда имеют возможность проявиться в клетках живых организмов.
- Прокариоты. У них есть клетка, у клетки нет ядра. Другое название бактерий - бактерии.
- Эукариоты. Сюда относят грибы, растения и животных. У них в клетках есть сформированные ядра.
Бактерии, грибы, растения и животные образуют 4 царства живых организмов.
Практическое задание:
Какие вирусы Вы знаете? (вирус, вызывающий ОРВИ, различные виды гриппа и т.д.).
5. Чем живые организмы отличаются от неживых?
Если об объектах живой природы мы уже говорили, то вопросов о том, что представляют собой объекты неживой природы, пока еще не касались. К ним, прежде всего, относятся камни, лед, песок и прочее. Каковы же отличительные свойства живых существ?
- Они дышат.
- Они питаются. Ни один живой организм не может существовать без того, чтобы черпать энергию извне. А вот что он будет потреблять и перерабатывать - мясо, молоко, крупу или морковь - уже и не столь важно.
- Они размножаются, то есть воспроизводят себе подобных. Каждый Без этого жизнь на планете давно бы уже иссякла и закончилась. Именно в этом свойстве проявляется бесконечность жизни на планете Земля.
- Они реагируют на воздействия окружающей среды и зависят от тех условий, в которых живут. Вот почему медведи на зиму залегают в спячку, а зайцы меняют свой окрас.
- У живых организмов есть клеточная структура. Они могут состоять из одной клетки (есть специальный класс одноклеточных), а могут из многих (например, животные или человек). Клеток нет только у вирусов, поэтому они могут жить исключительно в организмах других животных, растений или человека.
- Живые существа сходны по химическому составу - в их строении присутствуют органические соединения (белки. Жиры, углеводы), а также неорганические (самый распространенный из них - вода).
- В большинстве своем живые организмы способны к передвижению. О такой возможности животных знают все, а вот что с растениями? Наличие корней и нахождение в почте делает их неспособными к проявлению такого свойства. Однако это не совсем так. Подсолнечник, к примеру, меняет свое положение в зависимости от движения Солнца. Точно также листья многих растений реагируют на солнечный свет.
По этим признакам их можно различить, однако в состоянии покоя некоторые живые объекты не проявляют признаков жизнедеятельности (например, семена растений, пыльца цветков).
Оценивание : Попросите учеников ответить на проверочные вопросы. По их ответам можно будет определить, насколько они усвоили материал урока:
- Что такое биология?
- Что изучает биология?
- Какие подразделы биологии Вы знаете?
- Какие царства живых организмов Вы знаете?
- Каковы главные отличия живого организма от объектов неживой природы.
6. Итоги урока:
В ходе проведённого урока ученики познакомились:
- С тем, что такое биология, какие вопросы она изучает, на что направлено ее основное внимание.
- Какие есть разделы биологии и чем они занимаются.
- В каких сферах используются достижения биологии.
- Чем отличаются живые организмы от неживых.
Домашнее задание:
В качестве домашнего задания следует дать ученикам возможность написать творческую работу «Где используются достижения биологии», поскольку данный вопрос в рамках урока был рассмотрен очень поверхностно.
