Каталог

Реферат - Концепции современной биологии

ЗАКАЗАТЬ ЭТУ РАБОТУ

Концепции современной биологииБиология - совокупность наук о жизни, о живой природе (греч. bios - жизнь, logos - учение). Современная биология - очень разнообразная и развитая область естествознания. Различают ряд частных биологических наук по объектам исследования, такие как зоология (о животных), ботаника (о растениях), микробиология (о бактериях), вирусология (о вирусах), и другие, еще более мелкие подразделения (орнитология - о птицах, ихтиология - о рыбах, альгология - о водорослях и т.д.). Другое подразделение биологических наук - по уровням организации и свойствам живой материи: молекулярная биология и биохимия (химические основы жизни), генетика (наследственность), цитология (клеточный уровень), эмбриология, биология развития (индивидуальное развитие организмов), анатомия и физиология (строение и принципы функционирования организмов), экология (взаимоотношения организмов с окружающей средой), теория эволюции (историческое развитие живой природы).БИОГЕНЕЗ. Все живые организмы происходят только от других живых организмов, и из этого правила нет исключений. Не совсем ясно, можно ли считать живыми субмикроскопические фильтрующиеся вирусы, но нет сомнений в том, что появление их в большом количестве в среде возможно только за счет размножения тех вирусов, которые уже попали туда раньше. Из невирусного вещества вирусы не возникают. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ. Одно из величайших научных обобщений XIX века. Создатель этой теории - немецкий учёный Шванн, который, опираясь на работы Шлейдона в 1838-1839 годах сформулировал следующие положения: все организмы растений и животных состоят из клеток; каждая клетка функционирует независимо от других, но вместе со всеми; все клетки возникают из бесструктурного вещества неживой материи. Позднее Вирхов (1858) внёс существенное уточнение в последнее положение: все клетки возникают только из предшествовавших клеток в результате деления.Современная клеточная теория: Клеточная организация возникла на заре жизни и прошла длительный путь эволюции от прокариот к эукариотам, от предклеточных организмов к одно- и многоклеточным. Новые клетки образуются путём деления уже существующих. Клетка является микроскопической живой системой, состоящей из цитоплазмы и ядра, окружённых мембраной (искл. прокариоты). В клетке осуществляются: метаболизм, обратимые (дыхание, поступление и выделение веществ, раздражимость, движение) физиологические процессы, необратимые (рост, развитие) физиологические процессы. Клетка может быть самостоятельным организмом. Все многоклеточные организмы состоят из клеток и их производных. Рост, развитие и размножение многоклеточного организма - следствие жизнедеятельности одной (зигота) или нескольких клеток (культура тканей). ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ И ЭВОЛЮЦИЯ. Генетическая теория гласит, что признаки особей каждого поколения передаются следующему поколению через единицы наследственности, называемые генами. Крупные сложные молекулы ДНК состоят из четырех типов субъединиц, называемых нуклеотидами, и имеют структуру двойной спирали. Информация, содержащаяся в каждом гене, закодирована особым порядком расположения этих субъединиц. Поскольку каждый ген состоит примерно из 10 000 нуклеотидов, выстроенных в определенной последовательности, существует великое множество комбинаций нуклеотидов, а соответственно и множество различных последовательностей, являющихся единицами генетической информации. Определение последовательности нуклеотидов, образующих определенный ген, стало теперь не только возможным, но даже довольно обычным делом. Более того, ген можно синтезировать, а затем клонировать, получив таким образом миллионы копий. Если какое-то заболевание человека вызвано мутацией гена, который в результате не функционирует надлежащим образом, в клетку может быть введен нормальный синтезированный ген, и он будет выполнять необходимую функцию. Эта процедура называется генной терапией. Грандиозный проект «Геном человека» призван выяснить нуклеотидные последовательности, образующие все гены человеческого генома. Одно из важнейших обобщений современной биологии, формулируемое иногда как правило «один ген – один фермент – одна метаболическая реакция», было выдвинуто в 1941 американскими генетиками Дж.Бидлом и Э.Тейтемом. Согласно этой гипотезе, любая биохимическая реакция – как в развивающемся, так и в зрелом организме – контролируется определенным ферментом, а фермент этот в свою очередь контролируется одним геном. Информация, заложенная в каждом гене, передается от одного поколения другому специальным генетическим кодом, который определяется линейной последовательностью нуклеотидов. При образовании новых клеток каждый ген реплицируется, и в процессе деления каждая из дочерних клеток получает точную копию всего кода. В каждом поколении клеток происходит транскрипция генетического кода, что позволяет использовать наследственную информацию для регуляции синтеза специфических ферментов и других белков, существующих в клетках. В 1953 американский биолог Дж.Уотсон и британский биохимик Ф.Крик сформулировали теорию, объясняющую, каким образом структура молекулы ДНК обеспечивает основные свойства генов – способность к репликации, к передаче информации и мутированию. На основании этой теории оказалось возможным сделать определенные предсказания о генетической регуляции синтеза белка и подтвердить их экспериментально. Развитие с середины 1970-х годов генной инженерии, т.е. технологии получения рекомбинантных ДНК, значительно изменило характер исследований, проводимых в области генетики, биологии развития и эволюции. Разработка методов клонирования ДНК и проведения полимеразной цепной реакции позволяют получать в достаточном количестве необходимый генетический материал, включая рекомбинантные (гибридные) ДНК. Эти методы используются для выяснения тонкой структуры генетического аппарата и отношений между генами и их специфическими продуктами – полипептидами. Вводя в клетки рекомбинантную ДНК, удалось получить штаммы бактерий, способные синтезировать важные для медицины белки, например человеческий инсулин, гормон роста человека и многие другие соединения. Значительный прогресс был достигнут в области изучения генетики человека. В частности, проведены исследования таких наследственных болезней, как серповидноклеточная анемия и муковисцидоз. Изучение раковых клеток привело к открытию онкогенов, превращающих нормальные клетки в злокачественные. Исследования, проводимые на вирусах, бактериях, дрожжах, плодовых мушках и мышах, позволили получить обширную информацию, касающуюся молекулярных механизмов наследственности. Теперь гены одних организмов могут быть перенесены в клетки других высокоразвитых организмов, например мышей, которые после такой процедуры называются трансгенными. Чтобы осуществить операцию по внедрению чужеродных генов в генетический аппарат млекопитающих, разработан целый ряд специальных методов. Одно из наиболее удивительных открытий в генетике – это обнаружение двух типов входящих в состав генов полинуклеотидов: интронов и экзонов. Генетическая информация кодируется и передается только экзонами, функции же интронов до конца не выяснены. ВИТАМИНЫ И КОФЕРМЕНТЫ. Открытие этих веществ, которые не являются солями, белками, жирами или углеводами, но вместе с тем необходимы для полноценного питания, принадлежит американскому биохимику польского происхождения К.Функу. С 1912, когда Функ обнаружил витамины, началось интенсивное исследование их роли в метаболизме и выяснение того, почему в пищевом рационе одних организмов должны обязательно присутствовать определенные витамины, а в рационе других их может и не быть. Сейчас твердо установлено, что соединения, которые мы относим к витаминам, необходимы для нормального метаболизма всех живых существ, включая бактерии, зеленые растения и животных, однако, если некоторые организмы способны синтезировать эти соединения сами, другие должны получать их с пищей в готовом виде. Для многих витаминов в настоящее время уже выяснена их специфическая роль в метаболизме. Во всех случаях они функционируют как часть большой молекулы вещества, названного коферментом. Кофермент служит своего рода партнером фермента и субстратом для осуществления некоторых реакций. Авитаминоз, возникающий при недостаточности того или иного витамина, есть следствие нарушений в метаболизме, вызванных нехваткой кофермента. ГОРМОНЫ. Термин «гормон» был предложен в 1905 английским физиологом Э.Старлингом, который определил его как «любое вещество, в норме выделяемое клетками в какой-то одной части тела и переносимое кровью в другие части тела, где оно проявляет свое действие во благо всего организма». Можно сказать, что эндокринология (изучение гормонов) началась с 1849, когда немецкий физиолог А.Бертольд осуществил пересадку семенников от одной птицы к другой и предположил, что эти мужские половые железы выделяют в кровь какое-то вещество, определяющее развитие вторичных половых признаков. Само же это вещество – тестостерон – было выделено в чистом виде и описано только в 1935. Животные (как позвоночные, так и беспозвоночные) и растения вырабатывают большое число разных гормонов. Все гормоны образуются в каком-то небольшом участке организма, а потом переносятся в другие его части, где, присутствуя в очень низких концентрациях, оказывают исключительно важное регуляторное и координирующее действие на активность клеток. Таким образом, основная роль гормонов – это химическая координация, дополняющая координацию, осуществляемую нервной системой. ЭКОЛОГИЯ. Согласно одной из важнейших обобщающих концепций современной биологии, все живые организмы, обитающие в определенном месте, тесно взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Определенные виды растений и животных распределены в пространстве не случайным образом, а образуют взаимозависимые сообщества, состоящие из продуцентов, консументов и редуцентов и связанные с определенными неживыми компонентами среды. Подобные сообщества могут быть выявлены и охарактеризованы по доминирующим видам; чаще всего это виды растений, дающие пищу и укрытие другим организмам. Экология призвана ответить на вопросы – почему те или иные виды растений и животных образуют определенное сообщество, как они взаимодействуют между собой и как влияет на них человеческая деятельность. ОСОБЕННОСТИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ. Живые организмы не содержат какого-либо особого химического элемента, которого не было бы в неживой природе. Наоборот, основные составляющие их элементы – углерод, водород, кислород и азот – довольно широко распространены на Земле. В очень небольших количествах в составе живых организмов присутствует, кроме того, множество других химических элементов. Все живые существа в большей или меньшей степени могут быть охарактеризованы по таким признакам, как размеры, форма тела, раздражимость, подвижность, а также особенности метаболизма, роста, размножения и адаптаций. Способность растений и животных приспосабливаться к своей среде позволяет им выживать при тех изменениях, которые происходят во внешнем мире. Адаптация может включать как очень быстрые изменения состояния организма, определяемые клеточной раздражимостью, так и очень длительные процессы, а именно появление мутаций и их естественный отбор. БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ. Многие проявления жизнедеятельности организмов имеют циклический характер. Существуют, например, сезонные циклы в динамике численности некоторых видов; известны также циклические явления в жизни популяций, повторяющиеся каждый год, каждый лунный месяц, каждый день или каждый морской прилив (или отлив). Многие биологические функции отдельно взятого организма тоже имеют периодическую природу, например, чередование сна и бодрствования. По крайней мере некоторые из этих циклов, по-видимому, регулируются внутренними биологическими часами. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ. Современные теории возникновения мутаций, естественного отбора и популяционной динамики дают объяснение того, как произошли современные животные и растения от ранее существовавших форм. Вопрос о первоначальном происхождении жизни на Земле рассматривался многими биологами. Некоторые из них считали, что формы жизни были принесены из космоса, с других планет. Сторонники подобной точки зрения ссылаются на обнаруженные в 1961 и 1966 структуры в метеоритах, напоминающие окаменелости микроскопических организмов. Теорию происхождения первых живых существ из неживой материи развивали немецкий физиолог Э.Пфлюгер, английский генетик Дж.Холдейн и русский биохимик А.И.Опарин. Известен целый ряд реакций, посредством которых можно получить органические вещества из неорганических. Американский химик М.Калвин экспериментально показал, что излучение с высокой энергией, например космические лучи или электрические разряды, могут способствовать образованию органических соединений из простых неорганических компонентов. В 1953 американские химики Г.Юри и С.Миллер обнаружили, что некоторые аминокислоты, например глицин и аланин, и даже более сложные вещества могут быть получены из смеси паров воды, метана, аммиака и водорода, через которую всего лишь в течение недели пропускают электрические разряды. Спонтанное зарождение живых организмов в той обстановке, которая существует на Земле в настоящее время, в высшей степени маловероятно, однако оно вполне могло произойти в прошлом. Все дело в различии условий, существовавших тогда и сейчас. До того, как на Земле возникла жизнь, органические соединения могли накапливаться, поскольку, во-первых, не существовало плесневых грибов, бактерий и других живых существ, способных их потреблять, а во-вторых, они не подвергались спонтанному окислению, так как в атмосфере тогда отсутствовал кислород (или его было очень мало). Сейчас разработаны вполне правдоподобные теории, позволяющие объяснить, как органические вещества могли возникать в результате простых химических реакций, индуцированных электрическими разрядами, ультрафиолетовым излучением и другими физическими факторами, как эти молекулы могли затем образовать в море разбавленный бульон и как в результате их длительного взаимодействия формировались жидкие кристаллы, а затем и более сложные молекулы, по размерам приближающиеся к белкам и нуклеиновым кислотам. Процесс, аналогичный естественному отбору, мог действовать уже среди этих еще не живых, но уже очень сложных молекул. Дальнейшее объединение молекул белков и нуклеиновых кислот могло привести к появлению организмов, напоминающих ныне существующие вирусы, от которых, возможно, произошли бактерии, давшие в конце концов начало растениям и животным. Другим крупным шагом в ранней эволюции было развитие белково-липидной мембраны, которая окружала скопление молекул и позволяла одни молекулы накапливать, а другие, наоборот, выбрасывать наружу. Предложенная схема не является перечнем биологических дисциплин и в этом смысле не соответствует традиционному построению учебников по обшей биологии (наиболее типичный план включает последовательно главы по биохимии и молекулярной биологии, цитологии, биологии индивидуального развития, генетике, теории эволюции, экологии). Формулируя концепции, мы использовали синтетический подход, хотя некоторые из них базируются преимущественно на одной-двух ключевых дисциплинах. Учащимся предлагается самим, используя общедоступную учебную литературу и комбинируя информацию из разных глав, найти дополнительный материал по предложенным концепциям современной биологии. Литература1. Анисимов А.П. Концепции современного естествознания. Биология. – Владивосток, 2000.2. Зимин А.И. Концепции современного естествознания (Текст): вопросы и ответы. – М.: Юриспруденция, 2007. – 280 с.3. Лось В.А. Основы современного естествознания. – М.: ИНФРА-М, 2000. – 192 с.4. Основы современного естествознания и экологии // Тимофеева С. С., Медведева С. А., Ларионова Е. Ю. – М.: МГУ, 2004. – 383 с.