Підручник Біологія 9 клас - С. В. Межжерін - Підручники і посібники 2017

ВСТУП

§ 1. Біологія як система наук. Рівні організації біологічних систем. Методи біологічних досліджень

Терміни й поняття: біологія як система наук, рівні організації .живого, наукові методи, експеримент, моніторинг, моделювання.

Біологія (від грец. біос — життя, логос — учення) — це система наук про життя в усіх його проявах та на всіх рівнях організації живого, яка сформувалася на початку XIX сторіччя. Раніше біологію у складі інших природничих наук називали натурфілософією.

Об'єктами дослідження біологічних дисциплін є живі організми — тварини, рослини, гриби, бактерії та різні сторони їх життєдіяльності, а також віруси — неклітинна форма живого.

Анатомія вивчає будову живих організмів (іл. 1.1), фізіологія — процеси, які в них відбуваються (іл. 1.2). Особливим завданням, наприклад, екології є дослідження взаємодії організмів між собою і з навколишнім середовищем.

Сучасна біологія сформувалася завдяки експериментальним методам, що були розроблені завдяки досягненням хімії, фізики й математики. Їх використання дало можливість досліджувати клітинну будову організмів, вивчити хімічний склад клітин, установити закони спадкування.

Біологія має значний вплив на життя людини. Невипадково на стику суспільних наук і біології виникають нові міждисциплінарні наукові напрями: біоетика, соціобіологія, еволюційна психологія тощо.

Головні принципи сучасної біології. В основу сучасної біології покладено п’ять наукових принципів.

Іл. 1.1. Будову скелета жаби вивчає анатомія

Іл. 1.2. Як працює кровоносна система вивчає фізіологія

1. Клітинна будова організмів. Усі живі організми складаються з клітин, а нові клітини утворюються зі старих шляхом поділу материнської клітини (іл. 1.3).

2. Еволюційне походження живого на Землі. Різноманітність живих організмів і спосіб їхнього життя сформувались у процесі еволюції — історичного розвитку живого на Землі.

Іл. 1.3. Клітинна будова листка рослини (а) та шкіри людини (б)

3. Принцип генного успадкування. Спадкова інформація про всі ознаки й властивості живих організмів закодована в генах — ділянках ДНК.

4. Забезпечення організму речовиною та енергією (принцип живлення).

Для підтримування процесів життєдіяльності необхідна речовина, з якої будується тіло організмів, та енергія, яку вони отримують з навколишнього середовища: рослини — від Сонця, а тварини — поїдаючи інші організми або їх залишки.

5. Принцип стійкості організмів. Біологічні процеси, що відбуваються в організмі, спрямовані насамперед на збереження його стабільного стану.

Засвоєння й перетворення енергії — це перебіг хімічних реакцій, що відбуваються в клітинах.

Система біологічних наук. Спочатку біологічні науки виокремлювалися залежно від організмів, які вони досліджували: ботаніка — наука про рослини, зоологія — про тварин, мікробіологія — про мікроорганізми. Пізніше виникли науки, об'єктами дослідження яких стали біологічні процеси. Екологія вивчає взаємодію організмів одні з одними і середовищем існування. Генетика досліджує закономірності успадкування ознак організму. Фізіологія накопичує знання про процеси, які відбуваються в організмах. Систематика має на меті класифікацію видів і різних форм живих організмів. Форму тіла організмів в усіх її деталях вивчає морфологія, будову органів тіла — анатомія, а будову й особливості життя клітин — клітинна біологія. Зміни організму протягом його існування досліджує біологія розвитку. Зародження та історичний розвиток живої природи перебуває в полі зору еволюційної біології.

Рівні організації біологічних систем. Живі організми є системами, тобто вони побудовані зі структурних одиниць — елементів різного ступеня упорядкованості. Клітини складаються з молекул, організми — з клітин; організми одного виду утворюють популяції, а популяції різних видів, у свою чергу, формують екосистеми. Сукупність екосистем усієї Земної кулі утворює біосферу — живу оболонку нашої планети.

Цю структурованість живого зазвичай називають рівнями організації.

Молекулярно-генетичний рівень — це біологічні макромолекули, передусім — білки та нуклеїнові кислоти (іл. 1.4). Процеси, що відбуваються на цьому рівні, не мають біологічної специфіки, оскільки є хімічними перетвореннями молекул.

Клітинний рівень — це вже рівень справжньої життєдіяльності, який відбувається лише на рівні клітин (іл. 1.3). Власне, із цього рівня розпочинаються біологічні процеси життєдіяльності.

Організмовий рівень. Його структурна одиниця — організм, хоча зрозуміло, що для одноклітинних істот клітина та організм — поняття тотожні.

Іл. 1.4. Модель молекули білка, що входить до складу кришталика ока

Процеси, що відбуваються на організмовому рівні, пов’язані з живленням, ростом та індивідуальним розвитком.

Популяційно-видовий рівень. Елементом цього рівня є популяція — сукупність особин одного виду, що довгий час живуть на певній території і які ізольовані від інших поселень цього виду (іл. 1.5).

Іл. 1.5 Колонія пінгвінів є одним із прикладів популяції Процеси, які відбуваються на цьому рівні, пов'язані з розмноженням і первинними еволюційними перетвореннями організмів.

Біогеоценотичний (екосистемний) рівень. Одиницею цього рівня є біогеоценоз. Це популяції організмів різних видів, що живуть у певних умовах існування та пов’язані одні з одними харчовими відносинами.

Іл. 1.6. Кругообіг води в біосфері

Найвищим рівнем організації живої матерії є біосферний рівень. Характерний для нього процес — кругообіг речовин у біосфері (іл. 1.6), який забезпечує цілісність життя на Землі.

Методи біології. Кожна наука має свою методологію — сукупність принципів та ідей, а також способів отримання нової інформації. Конкретні прийоми набування нових знань — це і є наукові методи.

Первісними методами наукового пошуку є спостереження та опис нових видів живих істот, досі невідомих способів життя чи розмноження, нез'ясованих механізмів клітинного транспорту чи мутацій — змін генетичного апарату.

Спостереження та опис більш притаманні для біологічних наук, які вивчають біологічні процеси, що відбуваються в природі. Наприклад, важливими способом набування нових знань у зоології є спостереження за сезонними міграціями птахів. Аналіз фаз цвітіння та плодоношення рослин є ключовими методами ботаніки.

Ці методи не втратили свого значення й дотепер, більш того — спостереження та опис сьогодні широко використовують майже в усіх біологічних науках.

Подальшою основою будь-якого наукового пошуку є експеримент, тобто дослідження будь-якого об'єкта в чітко визначених умовах. Це може бути розмноження бактерій у спеціальному штучному середовищі, цілеспрямоване схрещування рослин з різним забарвленням пелюсток тощо.

Слід зазначити, що біологія як наука сформувалася лише завдяки експериментам, у яких використовували методи точних наук — фізики, хімії та математики.

Експеримент як метод дослідження більш властивий наукам, що розвиваються в лабораторії. Фізіологи й біохіміки в лабораторних умовах вивчають вплив біологічно активних речовин на швидкість метаболізму в окремих клітинах; молекулярні біологи — структуру та функції білків і ДНК. Усі ці явища й процеси краще вивчати в лабораторії, де їх можна відстежувати у спеціально створених умовах та надалі практично використовувати. У медицині опромінення застосовують у боротьбі зі злоякісними пухлинами, а в селекції рослин у результаті радіаційного впливу на насіння отримують організми-мутанти з новими біологічними властивостями.

Особливе місце в біології належить методам дослідження в часі. Це, насамперед, історичний метод, який широко використовують у палеонтології та еволюційній біології, коли за викопними рештками вимерлих тварин (іл. 1.7) та рослин визначають спорідненість і походження сучасних видів.

Ще одним методом біологічних досліджень у часі є моніторинг, тобто спостереження за будь-яким біологічним об'єктом протягом доволі тривалого часу. Моніторингові дослідження переважно спрямовані на вивчення динаміки популяцій або змін структури екосистем. Ці наукові спостереження тривають десятиліттями.

Залежно від накопичення фактів виникає необхідність в їх систематизації та класифікації. Для виявлення певних закономірностей використовують статистичні методи, які дають змогу розробити правила збору інформації й допомагають аналізувати величезні масиви даних. Сьогодні для цього використовують комп'ютерну техніку і спеціальні програми.

Розвиток будь-якого наукового пошуку завжди пов'язаний з виникненням наукового припущення — гіпотези, яка обов'язково потребує перевірки. Найчастіше роблять так: створюють модель біологічного явища та порівнюють процеси, які в ній протікають, з тими подіями, що за схожих умов відбуваються у природі.

Іл. 1.7. Рештки викопної саламандри

За допомогою таких порівнянь можна підтвердити чи спростувати гіпотезу. Цей підхід називають моделюванням.

У сучасній біології для створення біологічних моделей дедалі частіше замість фізичних об'єктів використовують математику та за допомогою комп'ютерних технологій проводять імітування біологічних процесів, що відбуваються в клітині, організмі чи екосистемі. Такий підхід отримав назву математичне моделювання (іл. 1.8).

Іл. 1.8. Змодельована крива росту числа інфузорій у пробірці (червоні кубики) на фоні реальних змін (блакитні ромбики) дозволяє розрахувати не лише швидкість зростання чисельності популяції, але й передбачати її розміри через певний період часу

За такого підходу і гіпотезу, і реальні події подають у вигляді математичних закономірностей. Якщо теоретичні закономірності й реальні графіки збігаються — це означає, що гіпотеза, покладена в основу моделі, адекватна, і припущення, сформульоване науковцем, правильне. Якщо такої відповідності немає, то за характером різниці між реальним і гіпотетичним процесами можна з ясувати, якої саме помилки припустився науковець у своєму припущенні.

Біологія — одна з найважливіших наук сучасності. Це система набування нових знань, засіб вивчення живої природи та водночас знаряддя впливу на неї Розвиток біологічних досліджень є пріоритетом й ознакою цивілізованого суспільства. Жива природа — це сукупність ієрархічно побудованих рівнів організації: молекулярно-генетичного, клітинного, організмового, популяційно-видового, еко-системного та біосферного. У розвитку біології важливу роль відіграють не лише експериментальні методи, засновані на досягненнях фізики та хімії, а й класичні, серед яких головне місце посідають спостереження та опис.

1. Назвіть головні завдання науки біології. 2. Укажіть п’ять принципів, які лежать в основі сучасної біологічної науки. 3. До якого рівня організації відносять евглену зелену? 4. Які процеси відбуваються на популяційно-видовому рівні? 5. Які методи дослідження є первісними для біологічної науки? 6. Що таке моніторинг у біології?

· Чому до початку XIX ст. біологію вважали одним з розділів філософії та що стало причиною того, що її стали вважати повноцінною наукою?





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