Система биологических наук. Методы биологических исследований. Уровни организации живой природы.

Основные методы биологии: описательный, сравнительный, экспериментальный, статистический, моделирования

Живую материю на всех уровнях ее организации ученые исследуют, пользуясь различными методами. Самыми популярными из них являются такие как описательный, сравнительный, экспериментальный, статистичес­кий, метод моделирования.

Одним из древних методов является описательный. С его помощью изучают внешнее и внутреннее строение организмов, а также различные явления.

Для того чтобы установить индивидуальность изучаемого объекта, его сравнивают с подобными объектами или процессами, поэтому описатель­ный метод тесно связан со сравнительным. Например, открытие новых ви­дов в науке невозможно без анализа их отличий от близких с ними форм. То же самое можно сказать и об органических соединениях, биохимических процессах, строении и функциях клеток, тканей, организмов, экологических систем. Для научного исследования любой биологический объект необхо­димо классифицировать, т. е. определить степень его сходства и отличия от других, подобных ему.

Экспериментальный метод предполагает изучение объектов или про­цессов в специально созданных искусственных условиях. Наблюдатель не вмешивается в природу, экспериментатор — должен. Великий ученый фи­зиолог И. П. Павлов писал: «..наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что он хочет. И сила биологическо­го опыта поистине колоссальна». Эксперимент можно проводить в лабора­тории, а также в природе, например, на экспериментальных грядках можно изучить влияние удобрений на рост и развитие растений, на их урожайность.

Мониторинг — это постоянное наблюдение за ходом определенных процессов в отдель­ных экономических системах, в биосфере в целом или за состоянием от­дельных биологических объектов. Обычно мониторинг осуществляют на популяционно-видовом, биогеоценотическом или биосферном уровнях. Он дает возможность не только определить состояние каких-либо объектов, но и спрогнозировать возможные изменения и их последствия. Так, наблю­дая из года в год накопление в атмосфере двуокиси углерода, можно пред­положить, что в недалеком будущем может наступить глобальное потепле­ние на Земле.

Моделирование — это ме­тод исследования и демонстрации структур или процессов при помощи их упрощенной имитации. Этот метод дает возможность изучать объекты или процессы, которые невозможно воспроизвести экспериментально или не­посредственно наблюдать. Несмотря на то, что любая модель всегда упро­щена по сравнению с процессами или явлениями, которые происходят в при­роде, моделирование имеет исключительно важное значение потому, что дает возможность прогнозировать возможные последствия этих процессов и явлений. Особое место занимает математическое моделирование, кото­рое заключается в численном выражении парных связей, например, зависи­мость численности популяции растительноядного животного от численно­сти популяции хищника. Изменяя числовые значения одного из показателей; введенных в модель, можно наблюдать, как изменится другой, т. е. как бу­дет вести себя смоделированная система при определенных условиях. Ма­тематическое моделирование осуществляется при помощи электронно-вы­числительной техники.

Статистический метод. Количественный материал, собранный в ре­зультате наблюдений, экспериментов, моделирования, подлежит статисти­ческой (математической) обработке, которая позволяет проанализировать его всесторонне, выявив абсолютно всю информацию, которая в нем содер­жится, установить определенные закономерности.

Научные понятия. Любая науки использует определенные понятия, такие как научный факт, гипотеза, теория, закон. Научный факт — это то, что действительно установлено (структура, событие, явление и т. п.), но требует научного объяснения.

На научных фактах базируются научные теории или гипотезы — научно обоснованные предположения, объясняющие факт. Гипотеза, подтвержден­ная исследованиями, практикой, становится научной теорией. Научная теория — это обобщение опреде­ленной системы фактов и закономерностей. Биологический закон — это закономерности, которые, как правило, не имеют исключений и могут быть истолкованы лишь определенным образом. В отличие от других наук, в био­логии понятие «правило» и «закон» достаточно близки, иногда даже взаимо­заменяемы, например, закономерность, установленную Г. Менделем относи­тельно единообразия гибридов первого поколения, в некоторых случаях называют первым законом наследственности, а иногда правилом.

Свойства живой материи. - Прочитать самостоятельно в учебнике стр. 12-14

Уровни организации живой природы.

Живая материя имеет несколько уровней организации: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.

На молекулярном уровне осуществляются химические реакции и преобразования энергии в живых организмах, а также сохраняется, изменя­ется и реализуется наследственная информация, носителями которой явля­ются молекулы нуклеиновых кислот.

На клеточном уровне осуществляются процессы обмена веществ и преобразования энергии, обеспечивается размножение и передача наслед­ственной информации потомкам.

Организмы одного вида имеют общие черты строения и жизненных функций, они изучаются такими науками, как ботаника, зоология, анатомия и физиология человека. Виды существуют в форме популяций — групп особей одного и того же вида, относительно изолированных друг от друга и обитающих в пределах одного ареала (места обитания вида).

Популяции разных видов входят в состав многовидовых систем биоце­нозов. В результате взаимодействия биоценозов с климатическими и дру­гими небиологическими факторами среды формируются биогеоценозы.

Отдельные биогеоценозы в совокупности составляют биосферу — часть внешних оболочек Земли, населенных живыми организмами.

Биосферный уровень организации живой материи представляет собой совокупность всех биогеоценозов планеты и характеризуется круговоро­том веществ и энергии, который обеспечивает существование биосферы как единой целостной системы.

Общая биология изучает наиболее общие законы и закономерности, которые характерны для всей живой природы.

Элементарный состав живых организмов. Классификация химических элементов по их количеству в живых организмах. Роль неорганических веществ в жизнедеятельности организмов. Функции воды в жизнедеятельности организмов.

В составе живых организмов обнаружено свыше 70 элементов табли­цы Менделеева. Среди них нет ни одного, который бы не встречался в не­живой природе, что говорит о том, что некогда все живое произошло от неживого. По количественному составу в организме все элементы можно разделить на четыре группы. Первая группа — макроэлементы, содержа­ние которых — от 1% и выше. К ним относятся кислород, углерод, азот, водород, кальций и фосфор. Вторая группа — олигоэлементы (от 0,1 до 1%). Этих элементов, как и макроэлементов, тоже шесть: калий, натрий, хлор, сера, магний, железо. Третья группа — микроэлементы, содержащи­еся в организме в количестве менее 0,01%. Семь элементов данной груп­пы (цинк, марганец, кобальт, медь, фтор, бром, йод) играют наиболее важ­ную роль в процессах жизнедеятельности организма. Четвертая группа — ультрамикроэлементы. К ней принадлежат все остальные элементы. Кон центрация их в организме ничтожно мала — от 10 ⁴ до 10 "⁶%о. Это, напри­мер, такие элементы как бор, литий, алюминий, кремний, олово, кадмий, мышьяк, селен, ванадий, титан, хром, никель и др.

Роль неорганических веществ в жизнедеятельности организмов.

Весь исходный материал для построения живого организма «поставля­ет» неживая природа. Интересно отметить, что морская вода по содержа­нию элементов близка к внутренней среде живых организмов, а ее ионный состав почти идентичен составу плазмы крови человека. Поэтому многие ученые полагают, что возникновение жизни на Земле связано с водной сре­дой Мирового океана.

В состав живых клеток входит ряд относительно простых соединений, которые встречаются и в неживой природе — в минералах, природных во­дах. Это неорганические соединения.

Важнейшим неорганическим соединением, входящим в состав живых клеток, является вода: нет ни одного известного нам организма, который бы мог обходиться без воды. Содержание ее в разных клетках и организ­мах колеблется от 40 (клетки растений, жировая ткань) до 90% (медуза). Большое количество воды в живых организмах объясняется тем, что она участвует практически во всех процессах их жизнедеятельности. Необхо­димое содержание воды поддерживается за счет поступления ее извне с пи­щей (для человека примерно 2 л в сутки). Уникальные свойства воды оп­ределяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода:

: О-Н

I

Н

Молекула воды полярна (диполь). Положительные заряды сосредото­чены у атомов водорода, в то время как кислород электроотрицательнее водорода. Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой моле­кулы с образованием водородной связи. По прочности водородные связи слабее ковалентных, поэтому они легко разрываются, что наблюдается, на­пример, при испарении воды. Благодаря большой теплоте испарения, повер­хность, с которой вода испаряется, интенсивно охлаждается. Такое свой­ство воды активно используется животными (потоотделение, тепловая одышка) и растениями (транспирация) для охлаждения.

Благодаря воде тепловой баланс регулируется не только на уровне орга­низма (потоотделение, транспирация), но и на уровне клетки — избыточная тепловая энергия, поступающая в клетку из внешней среды, расходуется не на нагревание клетки (что было бы для нее крайне опасным), а на разрыв водородных связей между полярными молекулами воды. Таким образом, благодаря механизмам терморегуляции, которые осуществляются за счет воды, клетки, как и организм в целом, могут поддерживать постоянную тем­пературу, что, в свою очередь, обеспечивает нормальное протекание обме­на веществ.

Вода — лучший растворитель из числа известных жидкостей. В ней ра­створяются все необходимые живому организму соединения (органические и минеральные вещества, газы). Свойства воды как растворителя обуслов­лены особенностями ее молекулярной структуры. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше энергии притя­жения между молекулами воды, то вещество растворяется (его называют гидрофильным — от греч. hydor — вода, philia_:— любовь). Нераствори­мые в воде вещества называются гидрофобными (от греч. phobos — страх).

Проникновение веществ в клетку и выведение из нее продуктов обме­на возможны именно благодаря свойству воды, как хорошего растворите­ля. Благодаря этому же свойству воды осуществляется и ее транспортная функция в организме (движение веществ по проводящей системе растений, перенос веществ кровью от кишечника к клеткам и от клеток — к органам выделения у животных).

Молекулы или ионы растворенных в воде веществ получают возмож­ность двигаться более свободно, их реакционная способность при этом повышается. Вот почему большинство биохимических реакций протекает именно в водной среде, а значит, вода является субстратом при синтезе и распаде биологических веществ, т. е. выполняет метаболическую функцию.

Вода — не только хороший растворитель, она сама может участвовать в химических реакциях. Реакции с водой называются реакциями гидролиза.

Вода определяет физические свойства клетки — ее объем, упругость.

Вода имеет максимальную плотность при 4 °С. Таким образом, твердая вода (лед) легче жидкой, что имеет жизненно важное значение для организ­мов, зимующих в водоемах (водоемы, покрываясь льдом, не промерзают полностью).

Вода имеет высокую температуру кипения. Это ее свойство делает воз­можным существование живых организмов в земных условиях (температу­ра на поверхности Земли редко достигает 100 °С).

Вода отличается большим поверхностным натяжением. Это свойство обеспечивает, в частности, сохранение формы живых клеток, транспорт воды по сосудам ксилемы растений, возможность обитания некоторых орга­низмов на водной поверхности (ряска, водомерки и др.).

К неорганическим веществам клетки, кроме воды, относятся также соли, которые могут быть представлены или в виде ионных соединений, или в виде нерастворимых твердых веществ. Для процессов жизнедеятельно­сти из входящих в состав солей катионов наиболее важны К⁺, Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺, из анионов НР0₄^2- Н₂Р0₄^- Сl^-, КС0₃^- . Кроме того, что эти ионы имеют важное значение для нормального функционирования клетки, они также способствуют поддержанию внутри клетки постоянной реакции: не­смотря на то, что в процессе жизнедеятельности в ней непрерывно образу­ются кислоты и щелочи, в норме реакция клетки остается всегда слабоще­лочной, почти нейтральной. Из нерастворимых солей, присутствующих в организме, можно, в качестве примера, привести наличие фосфата кальция, придающего твердость костной ткани, карбоната кальция, делающего проч­ными раковины моллюсков.

Ряд важных функций в организме выполняют неорганические кислоты. Например, соляная кислота создает кислую среду в желудке животных и человека и в специальных органах насекомоядных растений, ускоряя пере­варивание белков пищи. Остатки фосфорной кислоты, присоединяясь к ряду белков-ферментов клетки, изменяют их физиологическую активность. Ос­татки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, делают их растворимыми и способствуют таким образом выве­дению их из клеток и организмов.

Органические вещества организмов. Липиды.

В состав клеток входит множество органических соединений, т.е. соединений, которые отсутствуют в неживой природе – это углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и некоторые другие вещества. Все эти соединения в своей основе имеют атомы углерода, который составляет 50% от сухой массы организмов. Атомы углерода способны вступать друг с другом в прочную ковалентную связь, образуя множество разнообразных цепных или кольцевых молекул. К углеродным скелетам могут присоединяться другие группы атомов. Молекулы большинства вышеперечисленных веществ из-за огромной молекулярной массы называют макромолекулами или биополимерами. Они состоят из периодически повторяющихся звеньев – мономеров, которые относят к малым органическим молекулам.

Липиды — нерастворимые в воде (гидрофобные) органические со­единения. Они могут образовывать сложные комплексы с белками, углево­дами, остатками фосфорной кислоты и т. п. Самыми распространенными из липидов являются жиры. Молекула жира — это соединение трехатомного спирта глицерина и жирных кислот. В животных организмах глицерин соеди­нен с насыщенными жирными кислотами. Жиры животного происхождения твердые (сливочное масло, свиное сало), так как насыщенные жирные кис­лоты имеют высокую температуру плавления. В состав растительных жиров входят ненасыщенные жирные кислоты, имеющие значительно более низ­кую температуру плавления. Поэтому эти жиры жидкие (подсолнечное, оливковое, хлопковое и другие масла).

Помимо жиров, к липидам относятся стероиды. Они являются важным компонентом половых гормонов, вырабатываемых корковым слоем надпо­чечников, входят в состав витамина D и пр.

К липидам также относятся воски, выполняющие защитную функцию. У млекопитающих воски вырабатываются сальными железами кожи; они смазывают кожу и волосы. У птиц воски являются секретом копчиковой железы, который придает перьям водоотталкивающие свойства. Восковой слой покрывает листья наземных растений и полость тела наземных членистоногих, предостерегая их от чрезмерного испарения воды. Из воска пчелы строят соты.

Одна из основных функций липидов — энергетическая. При пол­ном расщеплении 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется в два раза больше энергии, чем при расщеплении такого же количества углеводов или белков, а также образуется 1,1 г воды. Именно благодаря запасам жира некоторые животные на протяжении длительного времени обходятся без воды. Например, верблюды в пустыне могут не пить более двух месяцев. Необходимую для жизнедеятельности воду эти животные получают в ре­зультате окисления жира.

Еще одной функцией липидов является строительная функция – они составляют основу биологических мембран, входят в состав нервных волокон.

Защитная функция липидов состоит в защите организмов от механических повреждений (например, почки покрыты жировой капсулой). Накапливаясь в подкожной жировой клетчатке некоторых животных (китов, тюленей), жиры выполняют теплоизоляционную функцию. Так, у синего кита слой жира в подкожной жировой клетчатке превышает 50 см.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1

Определение содержания воды в собственном организме

Цель: исследовать зависимость содержания воды в организме человека от возрастных изменений

Оборудование: напольные весы

Прочитайте текст

В растениях содержится до 90% воды.

Человек примерно на 65% состоит из воды. С возрастом, содержание воды в организме уменьшается. Эмбрион состоит из воды на 97% , подростки – 70%, у взрослого человека – около 60% воды, у людей пожилого возраста – 50% воды. В среднем в организме взрослого человека с массой тела 70 кг содержится 42 л воды.

В здоровом организме взрослого человека наблюдается состояние водного равновесия, или водного баланса. Оно заключается в том, что количество воды, потребляемое человеком, равно количеству воды, выводимой из организма. Водный обмен включает процессы всасывания воды, которая поступает в желудок при питье и с пищевыми продуктами, распределения ее в организме, выделения через почки, мочевыводящие пути, легкие, кожу и кишечник. Вода также образуется в организме вследствие окисления жиров, углеводов и белков, принятых с пищей. Такую воду называют метаболической.

При окислении 100 гр. жиров образуется 107 гр. воды, а при окислении 100 гр. углеводов - 55, 5 гр. воды.

Общий объем воды, потребляемый человеком в сутки при питье и с пищей, составляет 2-2,5 л. Благодаря водному балансу столько же воды выводится из организма. Через почки и мочевыводящие пути удаляется около 50-60% воды. При потере организмом человека 6-8 % влаги сверх обычной нормы повышается температура тела, краснеет кожа, учащается сердцебиение и дыхание, появляется мышечная слабость и головокружение, начинается головная боль. Потеря 10% воды может привести к необратимым изменениям в организме, а потеря 15-20% приводит к смерти, поскольку кровь настолько густеет, что с ее перекачкой не справляется сердце. Различные ткани организма содержат различное количество воды. Самая богатая водой ткань – стекловидное тело глаза, содержащее 99% воды, самая бедная - эмаль зуба, в ней воды всего лишь 0,2 %. Кровь – 92%, почки – до 82%, печень – до 69%, мышцы – 75%, жировые ткани – 25%, кости – до 28%. Много воды содержится в веществе мозга – до 85%.

Ход работы

1. С помощью напольных весов определите свой вес.

2. Определите массовую долю воды в собственном организме, учитывая, что в организме подростков в среднем содержится 70% воды от массы тела. Для определения составьте пропорцию. Например, масса вашего тела 55 кг – это 100%, тогда х литров воды – это 70%.

Х = ---------------------= 35

Соответственно, в вашем организме содержится 35 литров воды

3. Подобным образом определите содержание воды в организме ваших родителей, бабушек и дедушек.

4. Сделайте вывод в тетради о роли воды в живых организмах, и в организме человека.

Задания

1. Заполните таблицу в тетради «Основные свойства живого»

Свойство	В чем выражается
Обмен веществ и энергии
Изменчивость
Раздражимость
Наследственность

2. Наука, изучающая популяционно-видовой уровень организации живого, - это:

А) гистология; В) систематика;

Б) биология развития; Г) энзимология.

3. Напишите название метода исследования по его описанию, используя слова-подсказки:

А) исследования явлений природы, связанные с активным влиянием на них путем проведения опытов в контролируемых условиях - ________________________________________;

Б) изучение какого-либо процесса или явления путем воспроизведения его самого или его существенных свойств в виде модели - _____________________________________;

В) установление закономерностей появления и развития биологических систем, становление их структуры и функции в процессе развития - ________________________________;

Г) изучение подобия и отличий живых систем путем сравнения - ___________________________________.

Слова-подсказки: описательный, сравнительный, исторический, моделирование, экспериментальный.

4. Приведите примеры:

А) живых объектов, которым не свойственны отдельные свойства живого ______________________________________

____________________________________________________

____________________________________________________

Б) неживые объекты, которым свойственны отдельные свойства живого ______________________________________

____________________________________________________

____________________________________________________

О чем свидетельствуют, по вашему мнению, приведенные примеры?

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________

5. Подпишите приведенные формулы веществ соответствующими цифрами.

1 – вода 5 – кухонная соль

2 – углекислый газ 6 – кальций фосфат

3 – кислород 7 - глюкоза

4 – известь

______СО₂, _______ Н₂О, ________ О₂,

_______ С₆Н₁₂О₆, ________NaCl,

_________ СаСО₃, __________ Са₃(РО₄)₂

6. Определите соответствие между элементами и их биологическим значением:

1) Хлор Cl^- а) компонент желудочного сока в виде

соляной кислоты, активирует ферменты;

б) входит в состав эмали зубов, при

недостатке развивается кариес, при излишке

– флюороз;

2) Фтор F^- в) обеспечивает проведение нервных

импульсов, поддерживает осмотическое

давление в клетке, стимулирует синтез

гормонов;

3) Железо Fe⁺³ г) у растений входит в состав оболочек клеток,

у животных – в состав костей и зубов,

активирует свертывание крови;

4) Кальций Са⁺² д) входит в состав гемоглобина, миоглобина,

хрусталика и роговицы глаза, принимает

участие в синтезе хлорофилла, обеспечи-

вает транспорт кислорода к тканям и

органам

7. Выберите все правильные ответы.

1. Микроэлементом является:

А) кобальт; Б) калий; В) хлор; Г) бром

2. Макроэлементом является:

А) кобальт; Б) калий; В) цинк; Г) йод

3. Органогенным элементом является:

А) натрий; Б) карбон; В) калий; Г) бром

8. Определите соответствие между ионами и их биологическими функциями:

1) угольная кислота а) создают фосфатную

и ее анионы буферную систему, которая

поддерживает рН внутри-

клеточной среды организма

на уровне 6,9

2) ионы кальция б) активаторы многих

и магния ферментов

в) принимают участие в

процессах свертывания крови,

фотосинтеза, катализируют

внутриклеточные процессы

3) ионы меди г) компоненты желудочного сока

в виде соляной кислоты активи-

руют ферменты

4) анионы д) формируют бикарбонатную

фосфатной кислоты буферную систему, которая

поддерживает рН внеклеточной

среды (плазма крови) на уровне 7,4