Дополнительная литература:

Аршинов В.И. Синергетика как феномен постнеклассической науки. - М.: ИФ РАН, 1999.

Данилов Ю. Синергетика – лицом к человеку // Знание – сила. 2008. №11.

Дапрен Г. Грядущая цифровая война. Оружие против кибератак // Популярная механика. 2008. № 11.

Коваленко А. Зачем оно нам, нано? // Знание – сила. 2008. № 8.

Леенсон И.А. Почему и как идут химические реакции. – М.: Просвещение, 1995.

Малинецкий Г. Пределы синергетики // Знание – сила. 2008. № 11.

Рузавин Г.И. Самоорганизация и организация в развитии общества // Вопросы философии. 1995. № 8.

Чирков Ю. Ещё раз о синергетике // Знание – сила. 2008. № 11.

План семинара № 6

по теме: Основные проблемы биологии и экологии (4 часа)

1. Предмет биологии, её структура и этапы развития

2. Химические основы жизни. Принципы эволюции, воспроизводство и

развитие живых систем

3. Многообразие живых организмов - основа организации и

устойчивости биосферы. Биосфера и космические циклы

4. Закономерности существования и развития экосистем. Экология и

здоровье человека

Цель занятия: слушатели должны: знать основные положения биологии о живом, его строении, формах активности, природных сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Уяснить взаимосвязь и взаимозависимость биосферы, всего органического мира и человека. Рассмотреть пути решения глобальных экологических проблем, стоящих перед человечеством.

Методические рекомендации

Рассматривая первый вопрос, следует показать, что человек еще в древних цивилизациях стал изучать и систематизировать живые организмы. Покажите, что биология -- целый комплекс наук о живой природе, обладающий определенной структурой. Расскажите, на какие отрасли знания подразделяется биология (по объектам исследования, по свойствам проявления живого, по уровню организации исследуемых живых объектов)

Биология (от греч. bios -- жизнь) -- совокупность наук о живой природе -- об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

.Обратите внимание на основные разделы биологии. Так ещё со школы мы привыкли к делению биологии на ботанику (от греч. botane -- трава, растение) и зоологию: первая изучает растения, вторая -- животных. Однако в 20-м веке было открыто и стало интенсивно исследоваться новое царство -- царство вирусов, в связи с чем появилась наука вирусология. Появление этой науки в начале 20-го века во многом обязано деятельности русского физиолога Д.И. Ивановского (1864 -- 1920). Также особо выделяют микологию (от греч. mykes -- гриб) -- науку, изучающую грибы, поскольку грибы, ранее считавшиеся растениями, теперь также выделены в особое царство.

Наконец, последняя наука из этого ряда -- микробиология, изучающая микроорганизмы (прежде всего, бактерии), которые занимают промежуточное положение между животными и растениями.

Морфология (от греч. morphe -- форма) -- наука о форме и строении организмов. Выделяют морфологию растений, животных и человека.

Анатомия (от греч. anatome -- рассечение) -- наука о строении (преимущественно внутреннем) организма. Различают анатомию животных и анатомию растений. Эмбриология -- наука о предзародышевом развитии (образование половых клеток), оплодотворении, зародышевом и личиночном развитии организма. Гистология (от греч. histos, histion -- ткань) -- наука о тканях многоклеточных животных и человека.

Цитология (от греч. kytos -- вместилище, здесь клетка) -- наука о клетке. Если морфология исследует законы строения организмов, то законы их функционирования изучает физиология (от греч. physis -- природа) -- наука о жизнедеятельности целостного организма и его отдельных частей — клеток, органов, функциональных систем.

. Этология (от греч. ethos -- обычай, нравственный характер), изучает поведение животных в естественных условиях.

Экология (от греч. oikos -- дом, жилище, местопребывание) -- наука об отношениях живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой.

Палеонтология (от греч. palaios -- древний) -- наука о вымерших растениях и животных (сохранившихся в виде ископаемых остатков, отпечатков и следов их жизнедеятельности).

Открытие законов наследования Г. Менделем (1822 – 1884) заложило научно-экспериментальные основы генетики (от греч. genesis -- происхождение), науки о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.

Биохимия изучает входящие в состав организмов химические вещества, их структуру, распределение, превращения и функции.

Биофизика исследует физические и физико-химические явления в живых организмах, структуру и свойства биополимеров, влияние различных физических факторов на живые системы.

Еще одной наукой, возникшей на стыке, является бионика -- синтез биологических и технических знаний. Она изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов для создания новых приборов, механизмов, систем и совершенствования существующих.

К числу прикладных биологических наук можно отнести медицину (лат. medicina, от medicus -- врачебный, лечебный) -- область науки и практической деятельности, направленные на сохранение и укрепление здоровья людей, предупреждение и лечение болезней. Современные прикладные отрасли биологии: генная инженерия, возникшая в 70-е годы на основе молекулярной биологии отрасль, нацеленная на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов; биотехнология -- с ее развитием связывают решение глобальных проблем человечества -- ликвидацию нехватки продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и качества окружающей среды.

Рассматривая второй вопрос, обратите внимание, что биохимия занимает особое место в развитии науки в ХХ веке. Имея множество ответвлений и областей в своём составе, она вовлекла в себя методы классической биологии, генетики, физики, что позволило совершить колоссальный рывок в изучении не только живых организмов, но и принципов организации жизни в целом. Немалая её заслуга в том, что ХХ век стали иногда называть „веком биологии“. Было объяснено наиболее загадочное и, вместе с тем, основополагающее свойство живой материи: способность к воспроизведению себе подобного. Основными направлениями исследований современной биохимии и биологии в целом стали изучение молекулярной структуры вещества, в котором записана генетическая информация, механизмов воспроизведения информации в поколениях, и механизмов её реализации через биосинтез белков. Правильное понимание сути этих исследований оказалось критичным для моделирования возникновения жизни. Поэтому следует разобрать основную терминологию и понятия современной биохимии.

Все процессы, протекающие в живых организмах, являются следствием сложнейшего комплекса множества взаимозависимых химических реакций. Нам будут наиболее интересны те из них, которые являются неотъемлемыми для существования любого организма. Это:

• репликация (процесс копирования генетической информации)

• трансляция (процесс её реализации, т. е. синтез различных белков, структура которых определяется структурой их генов).

Сегодня учёные считают, что нечто, называемое жизнью, должно отвечать нескольким условиям. Жизнь -- это обязательно процесс, то есть функционирование за счёт обмена веществом и энергией с окружающей средой. Живые объекты способны к размножению и воспроизведению себе подобных. Наконец, все живые объекты способны к прогрессивной эволюции в сообществе таких же объектов благодаря наличию у них биологической памяти, способной запоминать признаки, благоприобретённые в ходе естественного отбора по Ч. Дарвину.

Причём должна выполняться вся совокупность условий -- любое из них в отдельности не делает объект живым. Таким образом, несмотря на то, что все процессы в живых организмах -- химические, однако взятая отдельно химическая реакция не является жизнью, так же как и „воспроизведение“ себе подобных. Например, рост кристаллов есть не что иное, как саморепликация подобных соединений и структур. Но это не жизнь. Простой обмен со средой веществом и энергией тоже не есть жизнь.

Изучая принципы эволюции, обратите внимание, что жизнь представляет собой особую форму существования и движения материи с двумя характерными признаками: самовоспроизведением и регулируемым обменом веществ с окружающей средой. Все современные гипотезы происхождения жизни и попытки её моделирования «в пробирке» исходят из этих двух фундаментальных свойств живой материи. Экспериментально удалось установить основные этапы, по которым могла возникнуть жизнь на Земле: синтез простых органических соединений, синтез полимеров, близким к нуклеиновым кислотам и белкам, образование первичных живых организмов (протобионтов). Собственно биологическая эволюция начинается с образования клеточной организации и в дальнейшем идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточной организации, разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.

Из всего этого следует один заранее неочевидный, но очень важный вывод: что появление жизни на основе именно РНК и ДНК предопределено. То есть других форм жизни появиться не могло. И значит, РНК и ДНК образуются на любой планете, геологическая история которой сходна с историей Земли

Большое внимание следует уделить клетке. Расскажите о механизме управления клеткой. Расскажите о вирусах, прокариотах, эукариотах, ДНК, РНК. Дайте характеристику основным уровням организации живого: молекулярно-генетическому, онтогенетическому, популяционно-видовому, биоценотическому.

Рассматривая этот вопрос, следует объяснить причины особого познавательного интереса к проблемам эволюции и возникновения жизни на Земле. Расскажите, что такое креационизм, самопроизвольное зарождение, в чем смысл теории стационарного состояния. Расскажите о появлении жизни на Земле и спорах в современной науке по этому вопросу. В чем смысл теории занесения на нашу планету жизни извне (панспермия). Следует рассказать о концепциях развития применительно к биологии, о теории эволюции Ж.Б. Ламарка и катастроф Ж. Кювье.

Рассматривая третий вопрос, обратите внимание, что огромное видовое разнообразие живых организмов обеспечивает постоянный режим биотического круговорота. Каждый из организмов вступает в специфические взаимоотношения со средой и играет свою роль в трансформации энергии. Это сформировало определенные природные комплексы, имеющие свою специфику в зависимости от условий среды в той или иной части биосферы. Живые организмы населяют биосферу и входят в тот или иной биоценоз -- пространственно ограниченные части биосферы -- не в любом сочетании, а образуют определенные сообщества из видов, приспособленных к совместному обитанию. Такие сообщества называются биоценозами.

Особой сложностью отличаются отношения между хищником и жертвой. С одной стороны, хищники, уничтожая домашних животных, подлежат истреблению. С другой -- хищники необходимы для поддержания экологического равновесия («Волки -- санитары леса»).

Процесс закономерного изменения биоценоза называется сукцессией. Сукцессия -- это последовательная смена одних сообществ организмов (биоценозов) другими на определенном участке среды.

В ходе естественного отбора в составе биоценоза неизбежно сохраняются лишь те виды организмов, которые могут наиболее успешно размножаться именно в данном сообществе

Таким образом:

1. Устойчивость биосферы в целом, ее способность эволюционировать определяется тем, что она представляет собой систему относительно независимых биоценозов.

2. Биосфера представляет собой иерархически построенное единство, включающее следующие уровни жизни: особь, популяция, биоценоз, биогеоценоз. Каждый из этих уровней обладает относительной независимостью, и только это обеспечивает возможность эволюции всей большой макросистемы.

3. Многообразие форм жизни, относительная устойчивость биосферы, как среды обитания и жизни отдельных видов, создают предпосылки для морфологического процесса, важным элементом которого является совершенствование реакций поведения, связанных с прогрессивным развитием нервной системы. Сохранились лишь те виды организмов, которые в ходе борьбы за существование стали оставлять потомство, несмотря на внутренние перестройки биосферы и изменчивость космических и геологических факторов.

Распределение живого вещества

«Быть живым, -- отмечал В.И. Вернадский, -- значит, быть организованным». На протяжении миллиардов лет существования биосферы организованность создается и сохраняется благодаря деятельности живых организмов.

Если живое вещество равномерно распределить по поверхности нашей планеты, то оно покроет ее слоем всего в 2 см толщиной.

Химический состав элементов живого вещества нашей планеты характеризуется преобладанием немногих элементов: водород, углерод, кислород, азот являются главными элементами земного живого вещества и поэтому названы биофильными. Атомы их создают в живых организмах сложные молекулы в сочетании с водой и минеральными солями.

Согласно современным оценкам, на Земле существует около 3 млн видов организмов, из которых на долю растений приходится 500 тысяч видов, а на долю животных -- 2,5 млн видов.

Живое вещество, по В.И. Вернадскому, «растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление на окружающую среду, обходит препятствия, мешающие его продвижению, или ими овладевает, их покрывает». Внутренняя энергия, производимая жизнью, проявляется в переносе химических элементов и в создании из них новых тел. По мнению В.И. Вернадского, геохимическая энергия жизни выражается в движении живых организмов путем размножения, идущего в биосфере непрерывно. Размножение организмов производит «давление жизни», или «напор жизни». В этой связи между организмами возникает борьба за площадь, питание и в особенности «за газ», нужный для дыхания свободный кислород.

При этом происходит биогенная миграция атомов: атомы, захваченные растениями, переходят к травоядным животным, затем -- к хищникам, которые питаются травоядными. Мертвые растения и животные служат пищей для микроорганизмов, а выделяемые микроорганизмами в результате жизнедеятельности минеральные вещества снова потребляются растениями. Из этого биологического круговорота выпадает лишь небольшой процент атомов. Эти вышедшие из жизненного процесса биогенные атомы попадают в косную (неживую) природы, тем самым играя огромную роль в истории биосферы.

Жизнь на Земле невозможна без круговорота веществ. Аккумуляция и минерализация происходит в биоценозах. Основной круговорот углерода состоит в превращении углекислого газа в живое вещество, из которого при разложении бактериями и дыханием он образуется вновь.

Круговорот азота связан с превращением в нитраты молекулярного азота атмосферы за счет деятельности некоторых бактерий и энергии грозовых разрядов. Нитраты усваиваются растениями. В составе их белков азот попадает к животным, а после отмирания растений и животных -- в почву, где гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака, который затем окисляется бактериями в азотную кислоту. Таким образом, накопление химических элементов в живых организмах и освобождение их в результате разложения мертвых -- характерная особенность биогенной миграции.

Обновление биомассы на суше происходит в среднем за 15 лет, причем для лесной растительности эта величина значительно больше, а для травянистой -- значительно меньше. В океане общая масса живого вещества обновляется в среднем через каждые 25 дней. Обновление всей биомассы Земли осуществляется за 7-8 лет.

Количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Это достигается тем, что в природе есть противоположная направленность процессов.

Функции живого вещества в биосфере Земли

Функции живого вещества в атмосфере Земли довольно разнообразны. В.И. Вернадский выделял пять таких функций:

1. Газовая функция. Осуществляется зелеными растениями. Для синтеза органических веществ растения используют углекислый газ, выделяя при этом в атмосферу кислород. Весь остальной органический мир использует кислород в процессе дыхания и пополняет при этом запасы углекислого газа в атмосфере. По мере увеличения биомассы зеленых растений изменяется газовый состав атмосферы: снижается содержание углекислого газа и увеличивается концентрация кислорода. Таким образом, живое вещество качественно изменило состав атмосферы -- геологической оболочки Земли.

2. С газовой функцией тесно связана окислительно-восстановительная функция. В процессе своей жизнедеятельности и после своей гибели организмы, обитающие в разных водоемах, регулируют кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения ряда металлов, что приводит к образованию осадочных пород.

3. Концентрационная функция проявляется в способности живых организмов накапливать различные химические элементы, например, в таких растениях-накопителях, как осока, хвощ, содержится много кремния. Благодаря осуществлению концентрационной функции живые организмы создали многие осадочные породы: залежи мела, известняка и т.п.

4. Биохимическая функция связана с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов и расползанию живого вещества в разные географические области.

5. Биохимическая деятельность охватывает все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства и бытовых потребностей человека.

Особое внимание обратите на взаимосвязь космоса и живой природы. Каково влияние космоса на человеческое общество? Рассмотрите идеи космизма, выраженные в творчестве выдающихся ученых, философов, писателей и художников В.В. Докучаева, В.И. Вернадского, К.Э. Циолковского, А.Л. Чижевского, Л.Н. Гумилева, С.П. Королева, Н.Ф. Федорова, В.С.Соловьева, А. Белого, А.В. Сухово-Кобылина и др.

Рассматривая четвёртый вопрос, обратите внимание на факторы, определяющие устойчивость и развитие экосистем.

Понятие "экосистема" введено английским ботаником А.Тенсли (1935), который обозначил этим термином любую совокупность совместно обитающих организмов и окружающую их среду. По современным представлениям экосистема -- это основная структурная единица биосферы, т.е. взаимосвязанная единая функциональная совокупность живых организмов и среды их обитания, или уравновешенное сообщество живых организмов и окружающей неживой среды.

Установлено три принципа устойчивого развития экосистем:

1. В естественных экосистемах использование ресурсов и избавление от отходов осуществляется в рамках круговорота всех элементов (в городах этот процесс нарушается, когда чуждые природе вещества накапливаются на свалках и разрывают круговорот веществ).

2. Экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду солнечной энергии, количество которой постоянно и избыточно (в городах в основном используется дополнительная энергия, получаемая за счет сжигания ископаемых углеводородов).

3. На конце длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы (отсюда вытекает предел численности жителей в экосистеме, нарушенный в городах, где происходит неконтролируемый рост населения).

Известный эколог Коммонер свел главные принципы и закономерности существования экосистем к четырем "экологическим императивам", которые в строгом смысле не являются законами, но понятно и образно описывают экологическую среду:

Все связано со всем -- изменение одного из элементов системы вызывает количественные и качественные перемены как в ее функциях и структуре, так и в других элементах.

Все куда-то попадает -- абсолютно безотходное производство невозможно.

Природа знает лучше -- при попытке улучшить природные системы, мы легко наносим им непоправимый вред.

Ничто не дается даром -- любая экосистема представляет собой единое целое; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено.

Конечно, не следует думать, что природу вообще трогать нельзя. Человеку для того и дан разум, чтобы тщательно взвешивать последствия своих действий исходя из законов экологии, и стремиться не только к тому, чтобы компенсировать недостатки, а чтобы свести к минимуму ущерб. Совсем без ущерба для природы человек обойтись не может.

Экосистемы могут быть разных размеров, например, глобальная экосистема -- это биосфера, а экосистема муравейника -- это микроэкосистема. В отличие от биогеоценозов экосистемы не имеют достаточно четких границ, хотя по содержанию и близки к ним. В этом отношении город скорее экосистема, хотя экосистема необычная, очень сильно отличающаяся от природных экосистем. Урбанизованные образования находятся в весьма сложных отношениях с биосферой. С одной стороны, в городах живут люди, животные, существует растительность. Все это связано между собой, следовательно, город можно считать экосистемой. С другой стороны, многие исследователи полагают, что если города -- организмы, то их следует считать "паразитами" биосферы. Этот вопрос весьма сложен, и развивать его целесообразно, рассмотрев сначала город как сложную систему, взаимодействующую с различными геосферами и, в особенности с литосферой, гидросферой и атмосферой. Экосистемы имеют собственные законы сложения, функционирования и развития. Длительность существования каждой экосистемы поддерживается, прежде всего, за счет общего круговорота веществ, осуществляемого продуцентами, консументами и редуцентами, и постоянного притока солнечной энергии. Именно эти два глобальных явления обеспечивают ей высокую способность противостоять воздействию постоянно меняющихся условий внешней среды.

Консументы - организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь живыми организмами -- продуцентами или другими консументами.

Редуценты -- организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию питаясь останками мертвых организмов (животных, растений). Устойчивость экосистемы обеспечивается также биологическим разнообразием и сложностью связей организмов, входящих в ее состав. В богатых видами экосистемах у консументов есть возможность избирать разные виды пищевых объектов и в первую очередь -- наиболее массовые. Если потребляемый пищевой объект становится редким, то консумент переключается на питание другим видом, а первый, освобожденный от пресса выедания, постепенно будет восстанавливать свою численность. Благодаря такому переключению поддерживается динамическое равновесие между пищевыми ресурсами и их потребителями и обеспечивается возможность их длительного сосуществования. Таким образом, процесс саморегуляции экосистемы проявляется в том, что все разнообразие ее населения существует совместно, не уничтожая полностью друг друга, а лишь ограничивая численность особей каждого вида определенного уровня.

Важным фактором стабилизации экосистемы является генетическое разнообразие особей популяций. Изменение условий внешней среды может вызвать гибель большинства особей популяции, адаптированных к прежним условиям существования. Поэтому чем более генетически разнородной является та или иная популяция экосистемы, тем больший шанс у нее иметь организмы с задатками, ответственными за появление признаков и свойств, позволяющих выжить и размножаться в новых условиях и восстановить прежнюю численность популяции.

Обратите внимание, что здоровье человека во много зависит от уровня загрязнения окружающей его среды, условий его работы и здорового образа жизни.

Основная литература:

Концепции современного естествознания. /Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова: Учебник. - ЮНИТИ-ДАНА, 2009.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания: Учебник.- М.: ООО «Издательство ЮКЭА», 2005. С. 683-730.

Матвеев А.В. Концепции современного естествознания: Конспект лекций. – Омск: Изд-во Ом. Гос.ун-та, 2008. С. 62-69.

Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – Ростов н/Д: Феникс, 2008. С 182-195, 346-380.

Дополнительная литература

Галимов Э. Что такое жизнь? Концепция упорядочения // Знание – сила. 2008. № 9.

Ганелин В.Г. Что такое жизнь с точки зрения геолога // Вопросы философии. 2008. № 6.

Зайцев А. Массовые вымирания в истории Земли // Знание – сила. 2007.

№ 7.

Заренков Н.А. Семиотическая теория биологической жизни. – М.: «УРСС», 2007.

Казначеев В.П. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере. – Новосибирск.: «Искра», 2006.

Нефедова А.Н., Ким А.И. Эволюция от репротраспозонов к ретровирусам: источник и происхождение гена // Журнал общей биологии. 2007.

№ 6.

Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Сухан А.В. Биосфера: загрязнение, деградация, охрана // Краткий толковый словарь. – М.: Высшая школа, 2003.

Чайковский Ю.В. Наука о развитии жизни. Опыт теории эволюции. – М.: КМК, 2006.