Биология как наука. Методы научного познания, основные уровни организации живой природы.

Элементы содержания, проверяемые на ЕГЭ:

1.1 Биология как наука, ее достижения, методы познания живой природы. Роль биологии в формировании современной естественнонаучной картины мира.

Биологические дисциплины.

Ботаника – наука о растениях, зоология – о животных, микология – о грибах, вирусология – о вирусах, бактериология – о бактериях. С этими науками всё понятно, поэтому не будем на них задерживаться. А вот со следующими разберемся подробнее.

Анатомия – наука, изучающая строение организмов (отдельных органов, тканей). Анатомия растений изучает строение растений, анатомия животных – строение животных.

Физиология – наука, изучающая процессы жизнедеятельности, его функции. Например, строение скелета и мышц изучает анатомия, а механизм мышечного сокращения – физиология. Важнейшим методом физиологии является эксперимент.

Цитология – наука о клетке. В арсенале этой науки есть целый ряд специфических методов.

• Микроскопия. Данный метод заключается в «разглядывании» клетки с помощью микроскопа. Световой микроскоп позволяет увидеть крупные органоиды (аппарат Гольджи, митохондрии, пластиды у растений, ядро с ядрышком и кое-что ещё), а также процессы, происходящие в клетке при её делении (конденсацию хромосом, их расхождение, образование дочерних клеток, конъюгацию гомологичных хромосом при мейозе). Более мелкие структуры клетки (например, рибосомы) и вирусные частицы могут быть изучены с помощью электронного микроскопа, имеющего большую разрешающую способность.

• Центрифугирование (дифференциальное центрифугирование). С помощью этого метода можно получать фракции отдельных органоидов. Например, захотели мы поработать с митохондриями, да так, чтобы все остальные части клетки нам не мешали. Значит надо получить отдельную фракцию (или порцию) митохондрий. Для этого измельчаем клетки, превращая их в однородную массу (эдакую «кашу-малашу»), помещаем пробирки с этой массой в центрифугу и начинаем раскручивать. Под действием центробежной силы органоиды начинают оседать на дно пробирки. Сначала центрифуга вращается не очень быстро, поэтому в первую очередь оседают самые тяжелые части (например, ядра и крупные фрагменты клеточных мембран). По мере увеличения скорости вращения начинают оседать более легкие структуры (пластиды, митохондрии) и т.д. В итоге изначально однородная масса расслаивается, и в каждом слое преобладают определенные клеточные структуры, которые можно отделить и изучить.

• Метод меченых атомов основан на использовании радиоактивных изотопов или изотопов, отличающихся массой от обычных. Например, можно использовать изотоп кислорода с относительной атомной массой 18 (а не 16, как обычно), углерод С14, фосфор Р32, азот N15 и другие. Подобные атомы называются мечеными потому, что их всегда можно обнаружить с помощью соответствующего оборудования. Меченые атомы вводятся в состав какого-либо вещества, вещество поступает в клетку (организм), а затем фиксируется нахождение меченого атома в составе определенных веществ и структур. Данный метод позволяет изучать различные биохимические реакции в организме, пути превращения веществ в ходе метаболизма и т.п.

Систематика – наука, классифицирующая организмы на основе их родства. Классификация – разделение организмов на группы (виды, рода, семейства и т.д.) на основании особенностей строения, происхождения, развития и др. Особенность современной систематики заключается в том, что в основе классификации лежит установление родства между организмами (или группами организмов).

Экология – наука, изучающая взаимоотношения организма с окружающей средой. Объектами изучения экологии являются организменный и надорганизменные уровни организации жизни (популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный). Отношения человека и природы, охрана окружающей среды и рациональное природопользование – это отдельные направления экологии.

Клеточная инженерия - направление науки, занимающееся получением гибридных клеток. Например (не вдаваясь в подробности), у одной овечки взяли клетку, из которой предварительно удалили ядро, а у другой овечки, наоборот взяли только ядро из клетки. Соединили первое со вторым и получили клетку, из которой через некоторое время на свет появилась хорошо известная Долли, абсолютно идентичная той овечке, у которой заимствовали ядро.

Генная инженерия – направление науки, занимающееся получением гибридных молекул ДНК или РНК. Если клеточная инженерия работает на уровне клетки, то генная работает на молекулярном уровне. В данном случае специалисты «пересаживают» гены одного организма другому. ГМО (генетически модифицированные организмы) есть результат генной инженерии.

Селекция – наука, занимающаяся выведением новых и улучшением существующих пород домашних животных, сортов культурных растений и штаммов бактерий и грибов. В арсенале селекционера целый ряд методов.

• Искусственный отбор – метод, в основе которого лежит отбор селекционером особей с интересующими человека признаками и получение от них потомства.

• Гибридизация - скрещивание организмов разных сортов, пород. Позволяет повысить генетическое разнообразие исходного материала для отбора.

• Искусственный мутагенез – метод обработки селекционного материала мутагенными факторами (излучением, ядами) с целью получения мутаций.

Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости. Основной метод генетики, разработанный ещё Г.Менделем, - гибридологический – заключается в скрещивании особей отличающихся по определенным признакам и изучении этих признаков у полученного потомства. Однако для изучения закономерностей наследования признаков у человека этот метод неприемлем, поэтому используется ряд других.

• Генеалогический метод заключается в анализе родословных. На основании этого метода можно выявить особенности наследования того или иного признака (доминантный признак или рецессивный, сцепленный с полом или нет).

• Близнецовый метод состоит в изучении влияния среды на формирование признаков у близнецов. В первую очередь ученых интересуют идентичные (однояйцевые) близнецы, имеющие одинаковый генотип. Изучая различия между ними, ученые делают выводы о влиянии генотипа и среды на формирование признака.

• Цитогенетический метод включает изучение хромосомного набора (кариотипа) с помощью микроскопа. Т.е. специалисты разглядывают в микроскоп хромосомы и сравнивают с нормальным набором. Если есть отклонения в кариотипе, и есть отклонения в фенотипе, то их можно связать между собой. Например, так была установлена связь между наличием лишней 21-й хромосомы и происхождением синдромом Дауна.

• Биохимический метод. Некоторые нарушения в обмене веществ связаны с особенностями генотипа, поэтому, обнаружив такие нарушения, можно сделать вывод о генотипе того или иного человека. Примерами таких нарушений могут служить фенилкетонурия и сахарный диабет.

Бионика – направление в науке, занимающееся поиском возможностей применении принципов организации, свойств и структур живой природы в технических устройствах.

Биотехнология - дисциплина, изучающая возможности использования организмов или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач. Обычно в биотехнологических процессах используются бактерии и грибы. В настоящее время высокопродуктивные штаммы бактерий и грибов производят необходимые в медицине инсулин, гормон роста, антибиотики. Подобным образом производятся кормовые добавки для сельскохозяйственных животных. Производство кисломолочных продуктов, сыров, виноделие – также основано на использовании различных микроорганизмов.

Палеонтология – наука, изучающая живой мир прошлого на основании обнаруженных ископаемых останков (отпечатков, окаменелостей и др.).

Элементы содержания, проверяемые на ЕГЭ:

1.2 Уровневая организация и эволюция. Основные уровни организации живой природы: клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный. Биологические системы. Общие признаки биологических систем: клеточное строение, особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, гомеостаз, раздражимость, движение, рост и развитие, воспроизведение, эволюция.

Уровни организации жизни.

Живая природа представляет собой совокупность биологических систем разного уровня. Менее сложные системы являются частью более сложных систем, поэтому принято говорить об уровнях организации жизни. Общим для всех уровней организации живой природы является то, что каждый уровень представляет собой открытую (т.е. обменивающуюся веществом и энергией с окружающей средой) саморегулирующуюся систему.

Молекулярный уровень представляет собой различные молекулы и их комплексы, входящие в состав живых организмов. Важнейшую роль среди них играют нуклеиновые кислоты и белки, поскольку именно взаимодействие этих молекул обеспечивает хранение и передачу наследственной информации. Взаимодействие различных молекул, их превращение в организме составляет суть процесса обмена веществ.

Клеточный уровень. Клетка является наименьшей структурной и функциональной единицей организма. Организм состоит из клеток, рост организма происходит за счет увеличения числа клеток путем их деления, функции организма осуществляются благодаря работе его клеток.

Организменный уровень – это отдельная особь, биологический индивид. Организм может быть одноклеточным или многоклеточным, но в любом случае он представляет собой единое целое.

Популяционно-видовой уровень. Каждый вид представлен в природе отдельными популяциями, т.е. относительно изолированными группами особей. Отдельная особь вида имеет ограниченную продолжительность, а популяция в некотором смысле бессмертна (если конечно вид не вымрет полностью). Поэтому именно на популяционно-видовом уровне происходят эволюционные процессы.

Биогеоценотический уровень представлен биогеоценозами. Биогеоценоз - совокупность сообщества живых организмов и среды его обитания, т.е. определенного участка земной поверхности со всем комплексом абиотических факторов.

Биосферный уровень – высший уровень организации жизни, включающий все экосистемы Земли. Биосфера – область распространения жизни на планете. На биосферном уровне осуществляются глобальные биогеохимические циклы и потоки энергии.

Популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный уровни являются надорганизменными.