Методы биологии. Живое вещество, его свойства. Уровни организации жизни

Как вы знаете, термин «биология» состоит из двух греческих слов: βίος и λόγος, которые в переводе на русский язык означают «жизнь» и «учение», «наука».

Но как бы ни называлась наука и кто бы ни дал ей название, знания о живых организмах накапливались человечеством тысячелетиями. Из-за огромного объёма полученной информации в наши дни биология превратилась в комплексную науку.

Биологические науки тесно связаны с физикой, химией, математикой, географией. Всех их объединяет не только предмет изучения — природа, но и методы, которыми пользуются исследователи для нахождения ответов на все поставленные вопросы.

В биологии важнейшими методами исследования являются наблюдение, эксперимент и сравнение, однако учёные пользуются, конечно же, и другими.

Наблюдение является первоисточником всех научных данных. После их обобщения выдвигаются гипотезы, которые могут объяснить наблюдение. Далее эти данные перепроверяются в ходе новых наблюдений и экспериментов. За этим этапом обязательно следует контрольный опыт. Условия контрольного опыта, в свою очередь, обязательно должны отличаться одним фактором. После анализа результатов эксперимента научные данные переходят в ранг научных фактов, а проверенная гипотеза становится теорией или законом. Это говорит о её универсальности, неоспоримости и достоверности.

Экспериментальный метод позволяет изучить то или иное явление жизни с помощью опыта.

Большой вклад в утверждение экспериментального метода в биологии внёс Грегор Мендель, который, изучая наследственность и изменчивость организмов, впервые использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основании получаемых результатов.

В настоящее время в биологическом эксперименте широко используют различные виды микроскопии.

На нашей планете, по разным данным, обитает примерно 2 000 000 видов животных, 500 000 видов растений…

Для построения системы во всём этом многообразии не обойтись без сравнительного метода, который позволяет упорядочить сходства и различия живых организмов и выявить общие закономерности.

Для осмысления полученных фактов при сопоставлении их с ранее известными результатами используют исторический метод. Данный метод позволяет превратить биологию из науки описательной в науку объясняющую. Изучает происхождение и функции многих живых систем.

Описательный метод известен с глубокой древности. В его основе лежит наблюдение. Сегодня описательный метод используют при открытии новых видов или изучении клеток с помощью современных методов исследования. 

Биология — это наука о жизни. Что такое жизнь?

Ещё во второй половине XIX века Фридрих Энгельс сформулировал одно из самых известных определений жизни. «Жизнь — это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белков».

В природе не всегда сразу можно определить, что относится к живому, а что к неживому. Перечислим свойства, характерные для живых существ.

Первое ― это единство химического состава. Живые существа образованы теми же химическими элементами, что и неживые объекты, но в живых существах 90 % массы приходится на четыре элемента: С, О, N, H (углерод, кислород, азот, водород), которые участвуют в образовании сложных органических молекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.

Второе свойство живого ― это единство структурной организации. Клетка является единой структурно-функциональной единицей, а также единицей развития почти для всех живых организмов на Земле. Исключением являются вирусы, но и у них свойства живого проявляются, лишь когда они находятся в клетке.

Третье свойство живого ― открытость. Все живые организмы представляют собой открытые системы, т. е. системы, устойчивые лишь при условии непрерывного поступления в них энергии и вещества из окружающей среды.

Четвёртое ― обмен веществ и энергии. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой.

Обмен веществ осуществляется в результате двух взаимосвязанных процессов: процесса распада сложных органических веществ с выделением энергии, которая затем расходуется организмом, а также процесса синтеза органических веществ в организме (за счёт внешних источников энергии — света и пищи). Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

Пятое ― это самовоспроизведение (репродукция). Способность к самовоспроизведению является важнейшим свойством всех живых организмов. В её основе лежит информация о строении и функциях любого живого организма, заложенная в нуклеиновых кислотах и обеспечивающая специфичность структуры и жизнедеятельности живого.

Шестое свойство живого ― это саморегуляция. Любой живой организм подвергается воздействию непрерывно меняющихся условий окружающей среды. В то же время для протекания процессов жизнедеятельности в клетках необходимы определённые условия. Благодаря механизмам саморегуляции сохраняется относительное постоянство внутренней среды организма, т. е. поддерживается постоянство химического состава и интенсивность течения физиологических процессов (иными словами, поддерживается гомеостаз: от греч. homoios — «одинаковый» и stasis — «состояние»).

Седьмое ― рост и развитие. В процессе индивидуального развития (онтогенеза) постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма и осуществляется его рост. Кроме того, все живые системы эволюционируют — изменяются в ходе исторического развития (филогенеза).

Восьмое свойство живого ― раздражимость. Любой живой организм способен избирательно реагировать на внешние и внутренние воздействия.

И наконец, девятое свойство живого — это наследственность и изменчивость. Преемственность поколений обеспечивается наследственностью. Потомки не являются копиями своих родителей из-за способности наследственной информации к изменениям — изменчивости.

Отдельные свойства, перечисленные выше, могут быть присущи и неживой природе. Например, кристаллы в насыщенном растворе соли могут «расти».

Однако этот рост не имеет тех качественных и количественных параметров, которые присущи росту живого. Следовательно, все перечисленные выше свойства в своей совокупности характерны только для живых организмов.

Уровни организации жизни

Единство, состоящее из самоорганизующихся, самовоспроизводящихся элементов, активно взаимодействующих с окружающей средой, имеющее специфические признаки, присущие живым существам, называют живой системой.

Части биологических систем состоят из взаимосвязанных частей. Например, организм является частью популяции и может состоять из одной или множества клеток.

На любом уровне каждая живая система уникальна и отличается от себе подобных.

На основании особенностей проявления свойств живого выделяют несколько уровней организации живой природы: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, экосистемный и биосферный.

Рассмотрим подробнее каждый в отдельности.

Молекулярный уровень организации живой природы представлен молекулами органических веществ — белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов, находящихся в клетках и получивших название биологических молекул.

На молекулярном уровне исследуется роль этих важнейших биологических соединений в росте и развитии организмов, хранении и передаче наследственной информации, обмене веществ и превращении энергии в живых клетках и других явлениях.

Клеточный уровень представлен клетками. Это первый, начальный уровень организации живого, который обладает всеми свойствами живого. На этом уровне наука изучает вопросы морфологической организации клетки, специализации клеток в ходе развития, функций клеточной мембраны, механизмы деления клеток.

Организменный уровень может быть представлен как одноклеточными, так многоклеточными организмами. На этом уровне изучается организм как целое, со свойственными ему механизмами согласованного функционирования его органов в процессе жизнедеятельности, его адаптация и поведение в различных экологических условиях.

Популяционно-видовой уровень представлен популяциями видов и принципиально отличается от организменного.

Продолжительность жизни любого организма определена генетически, популяция же при оптимальных условиях среды способна существовать неограниченно долго.

На этом уровне изучают факторы, влияющие на динамику численности особей и возрастного состава популяций, проблемы сохранения исчезающих видов, действие факторов микроэволюции и т. д.

Экосистемный уровень представлен системой популяций разных видов в их взаимосвязи между собой и окружающей средой.

На этом уровне изучаются взаимоотношения организмов и среды, условия, определяющие продуктивность экосистем, их устойчивость, а также влияние на них деятельности человека.

Биосферный уровень — высшая форма организации живой материи, объединяющая все экосистемы планеты. В биосфере происходят глобальные биогеохимические циклы (круговороты веществ и потоки энергии). Изучение механизмов их протекания, а также влияния на них деятельности человека в настоящее время имеет первостепенное значение для предотвращения глобального экологического кризиса.

Всем живым системам, независимо от уровня организации, присущи общие черты, а сами системы находятся в непрерывном взаимодействии. На каждом уровне вследствие объединения систем низшего уровня возникает определённое новое качество.