Биология — наука о жизни и живых организмах (греч. «биос» — жизнь, «логос» — учение). Она изучает строение, жизнедеятельность, развитие, происхождение и связи со средой всех живых существ — от микроскопических бактерий до огромных деревьев и китов. Первые вопросы экзамена часто именно из этого раздела: разделы и методы биологии, признаки живого, уровни организации живой материи и вирусы. Эта тема служит «картой» для всех следующих: каждую новую главу легче изучать, зная, к какому уровню и какому признаку живого она относится.
§1. Биология и её разделы
Биология — сложная система наук. Основные разделы по объекту изучения:
ботаника — растения; зоология — животные; микробиология — микроорганизмы; микология — грибы; вирусология — вирусы; анатомия и физиология человека — организм человека.
По уровню организации и свойствам живой материи:
молекулярная биология и биохимия — молекулярные основы жизни;
генетика — наследственность и изменчивость; эмбриология — индивидуальное развитие;
экология — взаимоотношения организмов и среды; эволюционное учение — историческое развитие живой природы; палеонтология — ископаемые организмы; систематика — классификация организмов.
На стыке наук возникают новые направления: биофизика, биоинформатика, биотехнология (использование живых организмов в производстве).
§2. Методы и история биологии
Основные методы исследования:
наблюдение — описание явлений в природных условиях;
эксперимент — изменение условий и сравнение результата с контрольной группой;
сравнение — выявление сходства и различий организмов (систематика, сравнительная анатомия);
исторический метод — изучение закономерностей происхождения и развития организмов;
моделирование — изучение процесса с помощью модели (например, компьютерной);
микроскопия, химические и физические методы, статистический анализ.
Из истории биологии: Аристотель одним из первых классифицировал животных; Ибн Сина в «Каноне врачебной науки» описал организм человека и болезни; А. Левенгук увидел микроорганизмы; К. Линней заложил основы систематики; Ч. Дарвин создал теорию эволюции; Г. Мендель открыл законы наследственности; Дж. Уотсон и Ф. Крик установили строение ДНК (1953).
§3. Признаки живого
Совокупность признаков, отличающих живой организм от неживого тела:
Единство химического состава — все живые состоят из одних и тех же элементов и содержат белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.
Клеточное строение — все организмы, кроме вирусов, состоят из клеток.
Обмен веществ и энергии — организм — открытая система: получает извне вещества и энергию и выделяет отходы.
Саморегуляция (гомеостаз) — поддержание постоянства внутренней среды (температура тела, pH крови, уровень глюкозы).
Раздражимость — ответ на внешние и внутренние воздействия: у растений — тропизмы (рост к свету), у животных — рефлексы, у простейших — таксисы.
Рост и развитие — увеличение размеров и качественные изменения (от яйца до бабочки).
Размножение — воспроизведение себе подобных; в его основе лежит самоудвоение ДНК.
Наследственность и изменчивость — передача признаков потомкам и появление новых признаков.
Приспособленность (адаптация) и эволюция — приспособление к среде и историческое развитие.
Дискретность и целостность — организм состоит из отдельных частей (клеток, органов), но работает как единая система.
Отдельно взятый признак не доказывает, что объект живой: кристалл тоже «растёт», огонь тоже «обменивается» веществами и «размножается». Живое определяет только совокупность признаков.
Молекулярный уровень — ДНК, РНК, белки, АТФ: хранение и передача наследственной информации, реакции обмена веществ.
Клеточный уровень — клетка — наименьшая структурная и функциональная единица жизни.
Тканевый и органный уровни — у многоклеточных клетки специализируются и образуют ткани и органы.
Организменный уровень — отдельная особь; у одноклеточных клеточный и организменный уровни совпадают.
Популяционно-видовой уровень — группа особей одного вида; элементарная единица эволюции — популяция.
Биогеоценотический (экосистемный) уровень — единство популяций разных видов и неживой среды; на этом уровне появляются круговорот веществ, поток энергии и пищевые цепи.
Биосферный уровень — вся жизнь на Земле и среда её обитания; глобальный круговорот веществ.
Каждый высший уровень включает низшие и обладает новыми свойствами, которых нет у низших: у популяции — генофонд и динамика численности, у экосистемы — пищевые цепи, у биосферы — глобальный круговорот веществ.
§5. Вирусы
Вирусы — неклеточная форма жизни; они находятся на границе живой и неживой природы.
Строение: нуклеиновая кислота (ДНК или РНК — только одна) и окружающая её белковая оболочка (капсид); у некоторых есть внешняя липидная оболочка (грипп, ВИЧ).
Собственного обмена веществ нет — размножаются только внутри живой клетки, используя её рибосомы и энергию (облигатные внутриклеточные паразиты). Вне клетки могут сохраняться даже в виде кристаллов.
Признаки живого: имеют наследственную информацию, размножаются, мутируют (изменчивы), эволюционируют.
Открыл Д. И. Ивановский (1892, вирус табачной мозаики).
Бактериофаги — вирусы бактерий: прикрепляются хвостом к бактерии и впрыскивают в неё ДНК; после сборки новых фагов бактерия разрывается и гибнет. Фаги применяют для лечения некоторых бактериальных инфекций.
Болезни: грипп, корь, гепатит, полиомиелит, бешенство, ВИЧ-инфекция/СПИД (ВИЧ — РНК-содержащий ретровирус: на своей РНК путём обратной транскрипции строит ДНК), COVID-19; у растений — табачная мозаика.
§6. Практическое значение биологии
Медицина — выяснение причин болезней, вакцины, антибиотики, генная диагностика.
Сельское хозяйство — создание новых сортов и пород путём селекции, биологическая борьба с вредителями.
Биотехнология — получение инсулина, витаминов, ферментов с помощью микроорганизмов; генная инженерия.
Охрана природы — сохранение редких видов, решение экологических проблем, Красная книга.
Пример
На каком уровне организации живой материи впервые появляется понятие «пищевая цепь»?
На организменном уровне рассматривается одна особь.
Популяция — особи одного вида, а пищевая цепь связывает разные виды.
Единство разных видов и неживой среды — биогеоценоз.
Ответ: на биогеоценотическом (экосистемном) уровне.
Пример
Почему антибиотики не действуют на вирусные болезни?
Антибиотик действует на такие структуры бактерии, как клеточная стенка и рибосомы.
У вируса нет своей клеточной стенки и рибосом, он использует механизмы клетки-хозяина.
Ответ: антибиотику не на что подействовать в вирусе; против вирусов применяют вакцины и специальные противовирусные препараты.
Пример
Кристалл соли «растёт» в растворе. Почему кристалл не живой?
Рост кристалла — это налипание вещества снаружи на поверхность; внутреннего обмена веществ нет.
У кристалла нет клеточного строения, наследственной информации (ДНК или РНК), раздражимости, гомеостаза.
Один признак (рост) не доказывает, что объект живой, — нужна совокупность признаков.
Ответ: кристалл — неживое тело, так как у него нет совокупности признаков живого.
Проверьте себя
Что такое гомеостаз?
Какими признаками вирусы сближаются с живым?
Какие уровни совпадают у одноклеточного организма?
Что изучает гистология?
Кто открыл вирус табачной мозаики?
Что является элементарной единицей эволюции?
Примером какого признака живого служит рост растений к свету?
Как называется белковая оболочка вируса?
Типичные ошибки
Думать, что у вируса есть и ДНК, и РНК, — только одна из них.
Считать, что один признак (например, рост) доказывает, что объект живой.
Путать популяционно-видовой и экосистемный уровни — пищевые цепи появляются на экосистемном.