Біологія - Навчальный посібник - В. О. Мотузний 2009

Частина І. Загальна біологія
1. Структура і основні методи досліджень. Наукові поняття біології

Біологія наука про живу природу (мал. 1.1), різноманітність, життєдіяльність і взаємозв’язки живих систем між собою та із навколишнім середовищем. Термін «біологія» запровадив видатний французький учений Ж.-Б. Ламарк у 1802 р. Нині вона становить комплекс спеціальних дисциплін, межі між якими часто є досить умовними. Залежно від об’єктів, які вивчає біологія, формувалися окремі галузеві біологічні науки, наприклад палеонтологія (вивчає викопні рештки вимерлих організмів), вірусологія (наука про неклітинні форми життя — віруси), мікробіологія (наука, що вивчає невидимі неозброєним оком організми), мікологія (наука про гриби), ботаніка (наука про рослини), ліхенологія (наука про лишайники), зоологія (наука про тварин). У складі наук, що вивчають окремі таксономічні групи організмів, є розділи галузевих наук. Наприклад, у складі ботаніки — це альгологія (наука про водорості), бріологія (вивчає мохи) тощо; у складі зоології — ентомологія (вивчає комах), іхтіологія (вивчає риб), мамаліологія (вивчає ссавців) тощо. Навіть у розділах наук є підрозділи, які вивчають ще менші таксономічні групи організмів (наприклад, мірмекологія в складі ентомології вивчає мурах). Крім того, в кожному окремому розділі науки виділяють анатомію, фізіологію, генетику, систематику та ін. Є й такі розділи біології, які вивчають сукупність усіх організмів у природі: ембріологія, цитологія, еволюційне вчення, екологія (хоча останню не можна відносити лише до біології).

Мал. 1.1. «Структура» біології

Зв’язки біології з іншими науками. Використання в біології методів точних наук є природним і необхідним. Воно сприяло великим, справді революційним відкриттям, озброїло людину потужними засобами пізнання й перетворення живої природи. Наприклад, на основі фізико-хімічної біології бурхливо розвивається, постаючи на передній план науково-технічного прогресу, біотехнологія, яка зробила можливими радикальні зміни в техніці й технології створен ня нових високопродуктивних сортів рослин і порід тварин, ефек тивних лікарських засобів тощо. Отже, біологія тісно пов’язана: математикою, фізикою, хімією, географією та іншими науками. Вош використовує методи точних наук для пояснення багатьох явнії життєдіяльності організмів. На стику біології з точними науками виникли нові її розділи — біохімія, біофізика, біокібернетика та ін. Водночас біологія є невід’ємною складовою, наприклад, медичних, сільськогосподарських наук, деяких галузей виробництва (біотехнологія), космічної біології.

Рівні організації живої матерії. Жива матерія (неклітинні, доклітинні й клітинні організми) існує у вигляді окремих малих (організми) чи великих (популяції, біоценози) систем, які можна досліджувати різними методами. Для всіх живих систем характерна дискретність (перервність) та ієрархічність будови, взаємодія і взаємозалежність частин цілого, низький рівень ентропії, єдність хімічного складу, використання зовнішніх джерел енергії, обмін речовин, координація хімічних процесів, спадковість, мінливість, ріст і розвиток та ін.

Рівні організації живої матерії — це відносно гомогенні (одноманітні) біологічні системи, для яких характерний певний тип взаємодії елементів — просторовий і часовий. Розрізняють рівні організації молекулярний, клітинний, тканинний, органний, організмовий, популяційно-видовий, екосистемний і біосферний (мал. 1.2). Таким чином, здійснюється принцип ієрархії (ступінчастого підпорядкування), властивий живій матерії. Рівень організації є одним із фундаментальних у вивченні біологічних об’єктів, що існують завдяки зв’язкам, якими їхні елементи поєднуються в єдине ціле. Ідея рівнів організації живого дає змогу пояснити цілісність і якісну своєрідність біологічних систем.

Мал. 1.2. Структурна організація живих організмів до молекулярного рівня

На молекулярному рівні організації провідною наукою є молекулярна біологія. Вона вивчає будову білків, нуклеїнових кислот та інших речовин і їх роль у життєдіяльності клітини. На цьому рівні відбуваються кодування й передавання спадкової інформації, обмін речовин та енергії (ДНК, РНК, АТФ). На рівні субклітинних, або надмолекулярних, структур вивчають будову й функції органел (хромосом, мітохондрій, рибосом тощо), а також інших частин клітини (наприклад, включень). Молекулярний склад живої клітини практично повністю вивчено.

На клітинному рівні організації основною біологічною наукою є цитологія. Клітина — це структурна, функціональна одиниця організму й одиниця розвитку всього живого. Біологія клітини — важливий розділ сучасної біології, який займається проблемами морфологічної організації, спеціалізації клітин у процесі розвитку, функцій клітинної мембрани, механізмів і регуляції поділу клітин тощо. Нині майже повністю з’ясовано загальну будову клітини, визначено роль внутрішньоклітинних структур.

На організмовому рівні вивчають особину — організм (одно- чи багатоклітинний) як єдине ціле, елементарну одиницю життя, характерні риси його будови, фізіологічні процеси та їх нейрогуморальну регуляцію, механізми забезпечення гомеостазу й адаптації. Ознаки і властивості одноклітинних, нитчастих, колоніальних і сифональних організмів визначає одна (кожна) клітина. У багатоклітинних організмів для виконання окремих їхніх функцій формуються тканини, органи й системи органів. На організмовому рівні виявляються регенерація й видова різноманітність організмів.

На популяційно-видовому рівні вивчають чинники, які впливають на чисельність і динаміку генетичного складу популяцій; визначають дію елементарних еволюційних чинників: мутацій, міграції та дрейфу генів, природного добору. Вивчення цього рівня організації живого має еволюційне й світоглядне значення, стосується проблем збереження зникаючих видів, мікроеволюції тощо. Для господарської діяльності людини важливі такі проблеми популяційної біології, як контроль чисельності видів, що завдають шкоди господарству; підтримання оптимальної чисельності популяцій, використовуваних у народному господарстві і тих, що охороняються.

На екосистемному рівні провідними є проблеми, що стосуються взаємозв’язків організмів у біоценозах, умов, від яких залежить чисельність їх популяцій і біопродуктивність біоценозів, стійкість останніх, ролі впливу людини на збереження біорізноманіття. На цьому рівні організації виявляється шлях трансформації й передавання речовини та енергії між організмами. Вивчення живого на цьому рівні організації має практичне й світоглядне значення;

Біосферний рівень організації — система вищого порядку, що відображує взаємодію всіх елементів екосистем і процеси, які відбуваються в геологічних оболонках планети, пов’язаний з ними колообіг речовин у природі, який включає акумуляцію органічних сполук у процесі фотосинтезу та мінералізацію завдяки діяльності редуцентів. Рухає колообіг енергія Сонця. Це головний процес на Землі, що забезпечує існування життя на планеті. На біосферному рівні сучасна біологія вирішує глобальні проблеми, наприклад визначення інтенсивності утворення вільного кисню рослинним покривом Землі або зміни концентрації вуглекислого газу в атмосфері під впливом діяльності людини. Вивчення живого на цьому рівні організації також має практичне й світоглядне значення.

Хоч поділ живої матерії і проблем біології за рівнями організації й відображує об’єктивну реальність, проте є умовним, бо майже всі конкретні завдання біології стосуються одночасно кількох або всіх рівнів. Наприклад, проблеми еволюції чи онтогенезу не можна розглядати тільки на рівні організму, тобто без молекулярного, субклітинного, клітинного, органотканинного, а також популяційно-видового та біоценотичного рівнів; проблема регуляції чисельності спирається на молекулярний рівень, але стосується також усіх вищих рівнів, включаючи аспекти біосферного рівня (наприклад, забруднення навколишнього природного середовища).

Основні методи біологічних досліджень (мал. 1.3). Живу матерію на всіх рівнях організації досліджують емпіричними й теоретичними методами. Емпіричні методи застосовують, безпосередньо вивчаючи об’єкти в природних умовах та визначаючи їхні властивості. Методи емпіричного дослідження можна поділити на дві великі групи: методи спостереження та експериментальні. Під час спостережень реєструють природний хід процесу, який вивчають, а під час експерименту активно втручаються в процес. Спостереження буває описовим або порівняльним. При цьому можна порівнювати досліджувані об’єкти тільки в межах певного рівня організації живої матерії (наприклад, молекули з молекулами, клітини — з клітинами, екосистеми — з екосистемами і т. ін.).

Мал. 1.3. Класифікація методів дослідження в біології

Останнім часом значного поширення набув такий метод спостереження, як моніторинг. Він дає змогу визначити стан і прогнозувати можливі зміни певних об’єктів та аналізувати можливі наслідки цих змін. За допомогою моніторингу розробляють заходи охорони окремих популяцій організмів, екосистем та біосфери в цілому.

Експериментальним методом дослідник може змінити стан досліджуваних об’єктів чи певних умов їх існування і спостерігати за наслідками цих змін. Розрізняють експерименти натурні, які проводять у природних умовах, і лабораторні — у спеціально створених умовах.

Об’єкти пізнання, безпосереднє вивчення яких з певних причин неможливе, ускладнене або недоцільне, досліджують за їхніми моделями. Цей непрямий, опосередкований метод наукового дослідження називають моделюванням. Модель об’єкта або явища реального світу — це опис його системою символів, що дає змогу прогнозувати стан і властивості об’єкта або явища в різних умовах. Найпростіша форма моделі — словесна або графічна. Проте надійні кількісні прогнози може забезпечити тільки статистична і суто математична (формалізована) модель.

У біології застосовують математичні, імітаційні та фізико-хімічні моделі. Математичні моделі описують досліджуваний процес або явище на знаковому рівні; при їх створенні використовують переважно методи математичної статистики й мову диференціальних рівнянь. Імітаційнімоделі є логіко-математичними системами даних, що розраховані на комп’ютерний аналіз. Створено велику кількість імітаційних моделей нейронів і нервових сіток, які відтворюють окремі функції нервової системи. Особливий інтерес становлять імітаційні моделі, структура й інтенсивність зв’язків між елементами яких можуть змінюватись під час їх вивчення. Це моделі умовних рефлексів, екосистем, розпізнавання образів. Фізико-хімічні моделі відтворюють фізичними або хімічними засобами деякі властивості біологічних структур, функцій, процесів. До прикладу, моделі біологічних мембран дають змогу досліджувати процеси мембранного транспортування і вплив на нього різних чинників. Моделі екологічних систем мають велике народногосподарське значення.

У практиці наукового пізнання застосовують також мислене моделювання, яке полягає в мисленому оперуванні чуттєво-наочними образами, умоглядними конструкціями, схемами, системами суджень тощо.

Теоретичне дослідження (мал. 1.4) безпосередньо не пов’язане з об’єктами вивчення. При цьому вивчають фізичні або математичні моделі природних об’єктів, уявлення про них. Важливою частиною теоретичних досліджень є математичне (наприклад, статистичне) опрацювання емпіричних результатів. За зібраними фактами, які не оброблені статистично і всебічно не проаналізовані, неможливо виявити всю інформацію, яка в них міститься, і встановити певні закономірності. Математичне опрацювання даних необхідне для перевірки вірогідності добутих результатів і правильного їх узагальнення.

Мал. 1.4. Етапи побудови теорії

Наукові поняття в біології (факт, гіпотеза, теорія, закон). Фактдійсна подія, дійсне явище, твердо встановлені знання, здобуті з досвіду, що дають змогу зробити якийсь висновок, перевірити якісь припущення, мати здогад у межах кожної системи наукового знання. Факт — це реальність, дійсність, що існує об’єктивно, незалежно від нашої свідомості.

Гіпотеза — наукове припущення, висунуте для пояснення певних явищ дійсності; можлива відповідь на запитання, що виникло в процесі дослідження; один із можливих розв’язків проблеми. У проблемній ситуації може бути висунуто кілька логічно несумісних гіпотез, кожна з яких відповідає наявним знанням і дає змогу робити висновки, які підтверджуються фактами в емпіричних і теоретичними побудовами — в абстрактних теоріях. Гіпотеза завжди стосується конкретної галузі: в науці не може бути гіпотези ні про що. Підставою для висунення гіпотези мають бути насамперед факти, що стосуються певної галузі науки. Ці факти можуть бути пояснені на підставі гіпотези, ними керується дослідник у пошуках нових фактів і нових законів; вони є кінцевим пунктом емпіричної перевірки всіх припущень.

У процесі пізнання кожну гіпотезу потрібно перевіряти, аби можна було встановити: 1) що наслідок, який випливає з гіпотези, справді збігається із спостережуваним явищем; 2) що ця гіпотеза не суперечить ніяким іншим гіпотезам, які вважаються вже доведеними. Проте для підтвердження правильності гіпотези слід переконатися, що вона не суперечить дійсності, а є єдино можливою і що з її допомогою пояснення усієї сукупності спостережуваних явищ є достатнім.

З накопиченням нових фактів одна гіпотеза може бути замінена іншою лише тоді, коли нові факти неможливо пояснити за допомогою старої гіпотези або вони суперечать їй. При цьому часто стару гіпотезу не відкидають цілком, а лише виправляють і уточнюють (див. мал. 1.4).

Теорія — система узагальненого знання, пояснення тих чи інших сторін дійсності. Це духовне відбиття, відтворення думкою реальної дійсності. Виникає в результаті узагальнення пізнавальної діяльності і практики. Це узагальнений досвід у свідомості людини (цілісна система знань, комплекс поглядів, уявлень, ідей, спрямованих на тлумачення і пояснення певного явища). У вузькому розумінні теорія — це вища, найрозвиненіша форма організації наукового знання, що дає цілісне уявлення про закономірності, суттєві зв’язки в певній галузі (сфері) реального світу, яка є об’єктом теорії.

Теорія обов’язково встановлює залежність одних конкретних параметрів (характеристик) від інших. Структуру теорії формують принципи, аксіоми, закони, судження, положення, поняття, категорії і факти.

Закон філософська категорія, що відображує істотні, загальні, необхідні, стійкі, повторювані відношення, залежності між предметами і явищами об’єктивної дійсності, що випливають з їхньої сутності. Закони біологічні — статистично ймовірні закономірності в біології. До основних біологічних належать закони: біогенетичний (Ф. Мюллер, Е. Геккель, О. М. Сєверцов), зародкової подібності (К. Бер), незворотності еволюції (Л. Долло), еволюційного розвитку (Ч. Дарвін), успадкування (Г. Мендель), гомологічних рядів спадкової мінливості (М. І. Вавилов), генетичної рівноваги в популяціях (Г. Харді, В. Вайнберг) та ін.

Проблеми взаємовідносин людини і навколишнього природного середовища. Природне середовище було, є і буде незмінним партнером людей у їхньому повсякденному житті. Ми черпаємо із скриньки природи всі наші багатства. Природа, її краса і велич залишаються нашим головним скарбом, нашою святинею.

Нині людство переживає найбільшу кризу своїх взаємовідносин з природою, зумовлену нераціональним використанням навколишнього природного середовища.

Економіка тільки тоді стане результативною, коли зважено, вивірено й відповідально всі ми в повсякденному житті будемо спроможні реалізувати такий простий і доступний для розуміння кожного постулат: «Не зашкодь середовищу, яке є твоїм домом, частиною тебе самого».

В умовах хворої природи не може бути здорових людей. Це аксіома, яку має усвідомити кожен. Майбутнє прийдешніх поколінь залежить від нас, нинішніх. В умовах зростаючого впливу людини на природу однією з глобальних проблем, розв’язання якої потребує зусиль усього людства й кожної особи зокрема, є екологізація діяльності суспільства й свідомості людини. Завдання полягає не тільки у виявленні й усуненні негативних впливів людини на природу, а й, головне, в науковому визначенні режимів раціонального використання резервів біосфери. Негативні наслідки господарської діяльності, обсяги яких стають дедалі більшими, небезпечні не тільки для здоров’я людини, а й для природного середовища загалом. Забезпечити збереження біосфери й здатності природи до відтворення — одне із головних завдань біології.

Проблеми пізнання суті життя. Однозначного визначення життя досі не існує. За багатьма ознаками живі організми відрізняються від неживої природи, проте серед цих ознак немає жодної, за якою можна було б чітко розмежувати живу й неживу природу. Наприклад, живі організми мають особливий хімічний склад, який включає білки й нуклеїнові кислоти. Однак суміш цих речовин не є живою системою. Особливістю живих організмів є обмін речовин. Але щось подібне до обміну речовин можна спостерігати, наприклад, у водоймах: випадання опадів, випаровування води й реакції між розчиненими у воді речовинами. Існування вірусів ще більше ускладнює проблему. Віруси, що містяться в клітині іншого організму, мають багато властивостей живого, а поза клітинами не виявляють ніяких ознак життя.

Однією з головних особливостей живих систем є їхня здатність синтезувати білки за програмами, закодованими в нуклеїнових кислотах, і синтезувати нуклеїнові кислоти за допомогою білків. Тому правомірним може бути таке визначення: живими називаються системи, які мають у своєму складі нуклеїнові кислоти та білки і здатні самі синтезувати ці речовини.

Організм є живим, якщо здійснює свої життєві функції: обмін речовин, ріст, розвиток тощо. Структура (будова, форма) і функція (життєві процеси) — два взаємопов’язаних прояви життя.

Основні ознаки (критерії) живого: 1) високовпорядкована будова; 2) обмін речовин і енергії — сукупність процесів дихання, живлення, виділення, за рахунок яких вони отримують із середовища необхідні речовини та енергію, перетворюють і накопичують їх в організмі, виділяють в навколишнє природне середовище продукти своєї життєдіяльності: 3) подразливість — здатність специфічно реагувати на зміни зовнішнього середовища, адаптуватися до змінних умов і виживати в них. Основними формами подразливості тварин є таксиси й рефлекси, рослин — тропізми, настії та нутації; 4) розмноження — самовідтворення, пов’язане із процесом передавання спадкової інформації, найхарактерніша ознака живого. Життя будь-якого організму обмежене, але за рахунок розмноження жива матерія «безсмертна»: 5) ріст і розвиток. Живі організми ростуть, збільшуються в розмірах, розвиваються, змінюються завдяки надходженню поживних речовин із середовища; 6) рух — здатність самостійно пересуватися в просторі, на рівні клітини виявляється в рухах цитоплазми; 7) саморегуляція — підтримання сталості складу внутрішнього середовища живої системи (гомеостаз); 8) спадковість — здатність передавати у спадок ознаки і властивості з покоління в покоління в процесі розмноження; 9) мінливість — здатність організмів змінювати свої ознаки при взаємодії із середовищем; 10) еволюція — розвиток усього живого від простого до складного. У результаті історичного розвитку виникла вся різноманітність живих організмів.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити