Биология как наука методы научного познания решу егэ

в условии
в решении
в тексте к заданию
в атрибутах

Категория:

Атрибут:

Всего: 236    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …

Добавить в вариант

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

Всего: 236    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …

Пройти тестирование по этим заданиям
Вернуться к каталогу заданий

Версия для печати и копирования в MS Word

Пройти тестирование по этим заданиям

Содержание этой темы проверяется одним заданием базового уровня в части 1. Кроме того, знание методов познания может понадобиться при решении заданий повышенной сложности и практико-ориентированного 34 задания во второй части.

Биология — наука, изучающая свойства живых систем. Объектом изучения биологии является жизнь во всех ее проявлениях и формах, а также на разных уровнях.

Каждая наука, в том числе и биология, пользуется определенными методами исследования. Есть универсальные методы, которыми пользуются все науки. Например, наблюдение, моделирование, эксперимент. Другие научные методы могут быть использованы только определенной наукой. Такие методы называются частными.

Метод — это путь исследования, который проходит ученый, решая какую-либо научную задачу, проблему.

1. Универсальные:

Моделирование — метод, при котором создается некий образ объекта, модель, с помощью которой ученые получают необходимые сведения об объекте. Например, Джеймс Уотсон и Френсис Крик создали из пластмассовых элементов модель — двойную спираль ДНК.

Наблюдение — метод, с помощью которого исследователь собирает информацию об объекте. Можно визуально наблюдать за поведением животных, с помощью приборов за изменениями в живых объектах, за сезонными изменениями в природе. Выводы, сделанные наблюдателем, проверяются либо повторными наблюдениями, либо экспериментально.

Эксперимент (опыт) — метод, с помощью которого проверяют результаты наблюдений, выдвинутые предположения — гипотезы (получение новых знаний с помощью поставленного опыта). Примером эксперимента является проверка нового лекарства.

Проблема — вопрос, задача, требующие решения. Решение проблемы ведет к получению нового знания. Научная проблема всегда скрывает какое-то противоречие между известным и неизвестным. Решение проблемы требует от ученого сбора фактов, их анализа, систематизации.

Гипотеза — предположение, предварительное решение поставленной проблемы. Выдвигая гипотезы, исследователь ищет взаимосвязи между фактами, явлениями, процессами. Именно поэтому гипотеза чаще всего имеет форму предположения: «если … тогда». Гипотеза проверяется экспериментально.

Теория — это обобщение основных идей в какой-либо научной области знания. Со временем теории дополняются новыми данными, развиваются. Некоторые теории могут опровергаться новыми фактами. Верные научные теории подтверждаются практикой.

2. Частные научные методы:

Каждая частная биологическая наука (ботаника, зоология, анатомия и физиология, цитология, эмбриология, генетика, селекция, экология и другие) пользуется своими методами исследования. Например, генетика использует генеалогический и цитогенетический методы. В цитологии применяют микроскопический метод, метод окрашивания, центрифугирование. Ученые, изучающие эволюцию, используют палеонтологический метод, который, в свою очередь, может включать еще более тонкие методы, например, метод радиоизотопного датирования.

Генеалогический метод — применяется при составлении родословных людей, выявлении характера наследования некоторых признаков. Генеалогический метод применяется в генетике.

Рисунок 1. Родословная семьи королевы Виктории. Наследование гемофилии

Цитогенетический метод — применяется в генетике. С помощью микроскопа изучаются качественные и количественные характеристики хромосомного набора организма. Хромосомы можно предварительно окрасить, чтобы их было проще разделить на гомологичные пары.

Рисунок 2. Кариотип мужчины

Микроскопия — изучения объектов с помощью различных микроскопов. По устройству микроскопы делят на световые, электронные и другие. С их помощью получают изображения с различным увеличением. Микроскопия широко используется в цитологии. Цитология – наука о строении, функциях и развитии клеток.

Рисунок 3. Микроскопия

Окрашивание — способ подготовки материала для морфологического, гистологического и цитологического исследования. В цитологии применяется для повышения информативности световой микроскопии. Также используется для диагностики в медицине. Например, чтобы выявить изменения в шейке матки опухолевой природы, применяют йодный раствор. Опухолевые и нормальные клетки по-разному воспринимают краситель, что позволяет врачу определить наличие заболевания.

Рисунок 4. Световая микроскопия

Центрифугирование — разделение смесей на составные части под действием центробежной силы. Применяется при разделении органоидов клетки, легких и тяжелых фракций (составляющих) органических веществ и т. д.

Рисунок 5. Центрифугирование

Исторический — установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени (несколько миллиардов лет).

Палеонтологический — метод, позволяющий выяснить родство между древними организмами, останки которых находятся в земной коре, в разных геологических слоях.

Рисунок 6. Археологические раскопки

Многие методы хоть и являются частными, но применяются не одной, а сразу группой наук. Например, биохимический метод применяют и в медицине, и в ботанике, и в зоологии, и в фармацевтике, и т. д.

Биохимический — исследование химических процессов, происходящих в организме. С помощью биохимического метода можно определить концентрацию различных веществ в полученном материале. Например, врач может определить количество глюкозы в крови у пациента, у которого он подозревает сахарный диабет.

Метод культуры тканей — метод, который также применяется в нескольких науках и относится к области биотехнологии. Метод заключается в выращивании вне организма культуры полученных от него клеток. Селекционеры могут применить этот метод для бесполого размножения растения, которое не дает семян (например, арбуз без косточек). В медицине пытаются воссоздавать из клеток целые органы для их дальнейшей трансплантации.

Рисунок 7. Метод культуры тканей

Тема 1. Биология как наука, ее
достижения, методы познания живой природы. Роль биологии в формировании
современной естественнонаучной картины мира. 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.

Биология (от греч. биос — жизнь, логос —
слово, наука) — это комплекс наук о живой природе.

Термин «биология» встречается в трудах немецких анатомов Т. Роозе (1779) и К.
Ф. Бурдаха (1800), однако только в 1802 году он был впервые употреблен
независимо друг от друга Ж. Б. Ламар ком и Г. Р. Тревиранусом для обозначения
науки, изучающей живые организмы.

Предмет —
строение и функции живых существ, их разнообразие, происхождение и развитие, а
также взаимодействие с окружающей средой.

Задача —
истолковании всех явлений живой природы на научной основе, учитывая при этом,
что целостному организму присущи свойства, в корне отличающиеся от его
составляющих.

Биологические науки
1.      Ботаника	Биологическая наука, комплексно изучающая растения и растительный покров Земли.
2.      Зоология	Раздел биологии, наука о многообразии, строении, жизнедеятельности, распространении и взаимосвязи животных со средой обитания, их происхождении и развитии.
3.      Бактериология	Биологическая наука, изучающая строение и жизнедеятельность бактерий, а также их роль в природе.
4.      Вирусология	Биологическая наука, изучающая вирусы.
5.      Микология	Основным объектом микологии являются грибы, их строение и особенности жизнедеятельности.
6.      Лихенология	Биологическая наука, изучающая лишайники.
7.      Микробиология	Раздела биологии, науке о микроорганизмах (бактериях, вирусах и микроскопических грибах).
8.      Систематика, или таксономия	Биологическая наука, которая описывает и классифицирует по группам все живые и вымершие существа.
9.      Фенология	Наука о развитии живой природы
10.  Медицина	Область научной и практической деятельности по исследованию нормальных и патологических процессов в организме человека, различных заболеваний и патологических состояний, их лечению, сохранению и укреплению здоровья людей
11.  Биохимия	Наука о химическом составе живой материи, химических процессах, происходящих в живых организмах и лежащих в основе их жизнедеятельности.
12.  Морфология	Биологическая наука, изучающая форму и строение организмов, а также закономерности их развития. В широком смысле она включает в себя цитологию, анатомию, гистологию и эмбриологию. Различают морфологию животных и растений.
13.  Анатомия	Раздел биологии (точнее — морфологии), наука, изучающая внутреннее строение и форму отдельных органов, систем и организма в целом. Анатомия растений рассматривается в составе ботаники, анатомия животных — в составе зоологии, а анатомия человека является отдельной наукой.
14.  Физиология	Наука, изучающая процессы жизнедеятельности растительных и животных организмов, их отдельных систем, органов, тканей и клеток. Существуют физиология растений, животных и человека.
15.  Эмбриология (биология развития)	Раздел биологии, наука об индивидуальном развитии организма, в том числе развитии зародыша.
16.  Генетика	Изучает закономерности наследственности и изменчивости. В настоящее время это одна из наиболее динамично развивающихся биологических наук.
17.  Молекулярная биология	Наука, изучающая, в частности, организацию наследственной информации и биосинтез белка.
18.  Цитология, или клеточная биология	Наука, объектом изучения которой являются клетки как одноклеточных, так и многоклеточных организмов.
19.  Гистология	Наука, раздел морфологии, объектом которой является строение тканей растений и животных.
20.  Этология	Наука о поведении организмов.
21.  Биогеография	Изучает распространение живых организмов.
22.  Экология	Изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы.
23.  Синэкология	раздел экологии, изучающий взаимоотношения организмов различных видов внутри сообщества организмов.
24.  Аутоэкология	раздел экологии, изучающий взаимоотношения организма с окружающей средой.
25.  Общая биология	Выявление и объяснение закономерностей строения, функционирования и развития живой природы на различных уровнях ее организации.
26.  Эволюционное учение	Изучает причины, движущие силы, механизмы и общие закономерности эволюции живых организмов.
27.  Палеонтология	Наука, предметом которой являются ископаемые останки живых организмов.
28.  Антропология	Наука о происхождении и развитии человека как биологического вида, а также разнообразии популяций современного человека и закономерностях их взаимодействия.
29.  Биотехнология	Наука, изучающую использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Она широко применяется в пищевой (хлебопечение, сыроделие, пивоварение и др.) и фармацевтической промышленностях (получение антибиотиков, витаминов), для очистки вод и т. п.
30.  Селекция	Наука о методах создания пород домашних животных, сортов культурных растений и штаммов микроорганизмов с нужными человеку свойствами. Под селекцией понимают и сам процесс изменения живых организмов, осуществляемый человеком для своих потребностей.
31.  Бионика	Наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формах живого в природе и их промышленных аналогах.
32.  Бриология	Наука о мхах

Достижения
биологии.

·        
Установление молекулярной структуры ДНК и ее роли
в передаче информации в живой материи (Ф. Крик, Дж. Уотсон, М. Уилкинс);

·        
Расшифровка генетического кода (Р. Холли, Х. Г.
Корана, М. Ниренберг);

·        
Открытие структуры гена и генетической регуляции
синтеза белков (А. М. Львов, Ф. Жакоб, Ж. Л. Моно и др.);

·        
Формулировка клеточной теории (М. Шлейден, Т.
Шванн, Р. Вирхов, К. Бэр);

·        
Исследование закономерностей наследственности и
изменчивости (Г. Мендель, Х. де Фриз, Т. Морган и др.);

·        
Формулировка принципов современной систематики
(К. Линней);

·        
Эволюционная теория (Ч. Дарвин);

·        
Учение о биосфере (В.И. Вернадский);

·        
Клонирование млекопитающих;

·        
Расшифрован ряд генов, отвечающих за развитие
наследственных заболеваний, а также генов-мишеней лекарственных препаратов;

·        
Биологические исследования являются фундаментом
медицины, фармации, широко используются в сельском и лесном хозяйстве, пищевой
промышленности и других отраслях человеческой деятельности. Значительная часть
современных лекарственных препаратов производится на основе природного сырья, а
также благодаря успехам генной инженерии, как, например, инсулин, столь
необходимый больным сахарным диабетом, в основном синтезируется бактериями,
которым перенесен соответствующий ген;

·        
Наибольшее значение среди достижений биологии имеет
тот факт, что они лежат даже в основе построения нейронных сетей и
генетического кода в компьютерных технологиях, а также широко используются в
архитектуре и других отраслях. 

Методы науки.
Моделирование	метод, при котором создается некий образ объекта, модель с помощью которой ученые получают необходимые сведения об объекте.
Наблюдение	метод, с помощью которого исследователь собирает информацию об объекте.
Эксперимент (опыт)	метод, с помощью которого проверяют результаты наблюдений, выдвинутые предположения – гипотезы. Это всегда получение новых знаний с помощью поставленного опыта.
Проблема	вопрос, задача, требующие решения. Решение проблемы ведет к получению нового знания. Научная проблема всегда скрывает какое-то противоречие между известным и неизвестным. Решение проблемы требует от ученого сбора фактов, их анализа, систематизации.
Гипотеза	предположение, предварительное решение поставленной проблемы. Выдвигая гипотезы, исследователь ищет взаимосвязи между фактами, явлениями, процессами. Именно поэтому гипотеза чаще всего имеет форму предположения: «если…тогда».
Теория	это  обобщение основных идей в какой – либо научной области знания.

Частные методы в биологии.
Генеалогический метод	Применяется при составлении родословных людей, выявление характера наследования некоторых признаков
Исторический метод	Установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходящими на протяжении исторически длительного времени (несколько миллиардов лет).
Палеонтологический метод	Позволяет выяснить родство между древними организмами, останки которых находятся в земной коре, в разных геологических слоях.
Центрифугирование	Разделение смесей на составные части под действием центробежной силы. Применяется при разделении органоидов клетки, легких и тяжелых фракций органических веществ.
Цитологический или цитогенетический метод	Исследование клеточных структур с помощью различных микроскопов. (Определение числа хромосом в кариотипе)
Микроскопия или микроскопирование	Изучать строение клетки можно с помощью микроскопа, светового или электронного. (Изучение строения клетки листа герани)
Биохимический метод	Исследование химических процессов, происходящих в организме.
Близнецовый метод	Используется для выяснения степени наследственной обусловленности исследуемых признаков. Метод дает ценные результаты при изучении морфологических и физиологических признаков.
Гибридологический метод	Скрещивание организмов и анализ потомства
Статистический метод	Измерение, мониторинг, анализ массовых статистических (количественных или качественных) данных и их сравнение
Популяционно-статистический метод	Дает возможность рассчитать в популяции частоту встречаемости нормальных и патологических генов, определить соотношение гетерозигот – носителей аномальных генов.
Хроматография	Метод основан на разной скорости движения веществ смеси через адсорбент в зависимости от их молекулярной массы.

Ученые – биологи (Роль
биологии в формировании современной естественнонаучной картины мира)

Гиппократ	Создал научную медицинскую школу. Считал, что у каждой болезни есть естественные причины, и их можно узнать, изучая строение и жизнедеятельность человеческого организма.
Аристотель	Один из основателей биологии как науки, впервые обобщил биологические знания, накопленные до него человечеством.
Теофраст	Основоположник ботаники.
Клавдий Гален	Заложил основы анатомии человека.
Авиценна	В современной анатомической номенклатуре сохранил арабские термины.
Леонардо да Винчи	Описал многие растения, изучал строение человеческого тела, деятельность сердца и зрительную функцию.
Андреас Визалия	Работа «О строении человеческого тела»
Уильям Гарвей	Открыл кровообращение
Карл Линней	Предложил систему классификации живой природы, ввел бинарную номенклатуру для наименования видов.
Карл Бэр	Изучал внутриутробное развитие, установил, что зародыши всех животных на ранних этапах развития схожи, сформулировал закон зародышевого сходства, основатель эмбриологии.
Жан Батист Ламарк	Первым попытался создать стройную и целостную теорию эволюции живого мира.
Жорж Кювье	Создал науку палеонтологию.
Теодор Шванн и Шлейден	Создали клеточную теорию
Ч Дарвин	Эволюционное учение.
Грегор Мендель	Основоположник генетики
Роберт Кох	Основатель микробиологии
Луи Пастер и Мечников	Основатели иммунологии.
И.М. Сеченов	Заложил основы изучения высшей нервной деятельности
И.П. Павлов	Создал учение об условных рефлексах
Гуго де Фриза	Мутационная теория
Томас Морган	Хромосомная теория наследственности
И.И. Шмальгаузен	Учение о факторах эволюции
В.И. Вернадский	Учение о биосфере
А. Флеминг	Открыл антибиотики
Д. Уотсон	Установил структуру ДНК
Д.И. Ивановский	Открыл вирусы
Н.И. Вавилов	Учение о многообразии и происхождении культурных растений
И.В. Мичурин	Селекционер
А.А. Ухтомский	Учение о доминанте
Э.Геккель и И.Мюллер	Создали биогенетический закон
С.С. Четвериков	Исследовал мутационные процессы
И.Янсен	Создал первый микроскоп
Роберт Гук	Первым обнаружил клетку
Антониа Левенгук	Увидел в микроскоп микроскопических организмов
Р.Броун	Описал ядро растительной клетки
Р.Вирхов	Теория целлюлярной патологии.
Д.И.Ивановский	Открыл возбудителя табачной мозаики (вирус)
М.Кальвин	Химическая эволюция
Г.Д.Карпеченко	Селекционер
А.О.Ковалевский	Основоположник сравнительной эмбриологии и физиологии
В.О.Ковалевский	Основоположник эволюционной палеонтологии
Н.И.Вавилов	Учение о биологических основах селекции и учение о центрах происхождения культурных растений.
Х.Кребс	Изучал метаболизм
С.Г.Навашин	Открыл двойное оплодотворение у покрытосеменных
А.И.Опарин	Теория самозарождения жизни
Д.Холдейн	Создал учение о дыхании человека
Ф.Реди	Изучал паразитов человека и животных
А.С.Северцов	Основатель эволюционной морфологии животных
В.Н.Сукачев	Основоположник биогеоценологии
А.Уоллес	Сформулировал теорию естественного отбора, которая совпала с Дарвином
Ф.Крик	Изучал животные организмы на молекулярном уровне
К.А.Темирязев	Раскрыл закономерности фотосинтеза

Уровни организации живого.

Живая природа является системой, компоненты которой можно
расположить в строгом порядке: от низших к высшим. Данный принцип организации
позволяет выделить в живой природе отдельные уровни и дает
комплексное представление о жизни как о природном явлении. На каждом из уровней
организации определяют элементарную единицу и элементарное явление. В
качестве элементарной единицы рассматривают структуру или
объект, изменения которых составляют специфический для соответствующего уровня
вклад в процесс сохранения и развития жизни, тогда как само это изменение
является элементарным явлением.

В настоящее время выделяют несколько основных уровней
организации живой материи: молекулярный, клеточный, тканевый, организменный,
популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.

Уровни организации	Биологическая система	Компоненты, образующие систему	Основные процессы
Молекулярный	Молекула	Отдельные биополимеры (ДНК, РНК, белки, липиды, углеводы и др.)	На этом уровне жизни изучаются явления, связанные с изменениями (мутациями) и воспроизведением генетического материала, обменом веществ.
Клеточный	Клетка	Комплексы молекул химических соединений и органоиды клетки	Синтез специфических органических веществ; регуляция химических реакций; гомеостаз; деление клеток; вовлечение химических элементов Земли и энергии Солнца в биосистемы
Тканевый	Ткань	Клетки и межклеточное вещество	Обмен веществ; раздражимость
Органный	Орган	Ткани разных типов	Пищеварение; газообмен; транспорт веществ; движение и др.
Организменный	Организм	Системы органов	Обмен веществ; раздражимость; размножение; онтогенез. Нервно-гуморальная регуляция процессов жизнедеятельности. Обеспечение гармоничного соответствия организма его среде обитания
Популяционно-видовой	Популяция	Группы родственных особей, объединенных определенным генофондом и специфическим взаимодействием с окружающей средой	Генетическое своеобразие; взаимодействие между особями и популяциями; накопление элементарных эволюционных преобразований; выработка адаптации к меняющимся условиям среды
Биогеоценотический	Биогеоценоз (экосистема)	Популяции разных видов; факторы среды; пространство с комплексом условий среды обитания	Биологический круговорот веществ и поток энергии, поддерживающие жизнь; подвижное равновесие между живым населением и абиотической средой; обеспечение живого населения условиями обитания и ресурсами
Биосферный	Биосфера	Биогеоценозы и антропогенное воздействие	Активное взаимодействие живого и неживого (косного) вещества планеты; биологический глобальный круговорот; активное биогеохимическое участие человека во всех процессах биосферы

Биологические системы

Биологические системы – это объекты различной сложности, имеющие несколько
уровней структурно-функциональной организации и представляющие собой
совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Примеры
биологических систем: клетка, ткани, органы, организмы, популяции, виды,
биоценозы, экосистемы разных рангов и биосфера.

Клеточное строение	Все существующие на Земле организмы состоят из клеток. Исключением являются вирусы, проявляющие свойства живого только в других организмах.
Особенности химического состава	Главными особенностями химического состава клетки и многоклеточного организма являются соединения углерода — белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. В неживой природе эти соединения не образуются
Обмен веществ и превращения энергии	Обмен веществ — совокупность биохимических превращений, происходящих в организме и других биосистемах. Все живые системы являются открытыми системами, через которые непрерывно идут потоки веществ, энергии и информации. К открытым системам относят системы, между которыми и окружающей средой происходит обмен веществ и энергии, например, растения в процессе фотосинтеза улавливают солнечный свет и поглощают воду и углекислый газ, выделяя кислород
Гомеостаз	Это способность биологических систем противостоять изменениям и поддерживать относительное постоянство химического состава, строения и свойств, а также обеспечивать постоянство функционирования в изменяющихся условиях окружающей среды
Раздражимость	Способность организма реагировать на внешние и внутренние раздражители (рефлексы у животных и тропизмы, таксисы и настии у растений)
Движение	Возможность активного взаимодействия со средой, в частности, перемещение с места на место, захват пищи и т. п.
Рост и развитие	Все организмы растут в течение своей жизни. Под развитием понимают как индивидуальное развитие организма, так и историческое развитие живой природы
Воспроизведение	Способность живых систем воспроизводить себе подобных. В основе размножения лежит процесс удвоения молекул ДНК с последующим делением клеток
Эволюция	естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.
Целостность (непрерывность) и дискретность (прерывность).	Любой организм представляет собой целостную систему, которая в то же время состоит из дискретных единиц — клеточных структур, клеток, тканей, органов, систем органов.
Уровневая организация	Живые системы Земли, характеризующиеся упорядоченностью и сложностью структур на всех уровнях организации, несмотря на то, что построены из тех же химических элементов, что и неживые.

Биологические науки

Биология (от греческих слов βίος — жизнь и λόγος — наука) — совокупность наук о живой природе. Биология изучает все проявления жизни, строение и функции живых существ и их сообществ, распространение, происхождение и развитие живых организмов, связи их друг с другом и с неживой природой.

История биологии

Биология берет свое начало в глубокой древности. Описания животных и растений, сведения об анатомии и физиологии человека и животных были необходимы для практической деятельности людей. Одними из первых попытки осмыслить и привести в систему явления жизни, обобщить накопленные биологические знания и представления сделали древнегреческие, а позже древнеримские ученые и врачи Гиппократ, Аристотель, Гален и другие. Эти воззрения, развитые учеными эпохи Возрождения, положили начало современным ботанике и зоологии, анатомии и физиологии и другим биологическим наукам.

В XVI—XVII вв. в научных исследованиях наряду с наблюдением и описанием стал широко применяться эксперимент. В это время блестящих успехов достигает анатомия. В трудах известных ученых XVI в. А. Везалия и М. Сервета были заложены основы представлений о строении кровеносной системы животных. Это подготовило великое открытие XVII в. — учение о кровообращении, созданное англичанином У. Гарвеем (1628). Через несколько десятилетий итальянец М. Мальпиги открыл при помощи микроскопа капилляры, что позволило понять путь крови от артерий к венам.

Создание микроскопа расширило возможности изучения живых существ. Открытия следовали одно за другим. Английский физик Р. Гук открывает клеточное строение растений, а голландец А. Левенгук — одноклеточных животных и микроорганизмы.

В XVIII в. было накоплено уже много знаний о живой природе. Назрела необходимость классифицировать все живые организмы, привести их в систему. В это время закладываются основы науки систематики. Важнейшим достижением в этой области была «Система природы» шведского ученого К. Линнея (1735).

Дальнейшее развитие получила физиология — наука о жизнедеятельности организмов, их отдельных систем, органов и тканей и процессах, протекающих в организме.

Англичанин Дж. Пристли показал в опытах на растениях, что они выделяют кислород (1771—1778). Позже швейцарский ученый Ж. Сенебье установил, что растения под действием солнечного света усваивают углекислый газ и выделяют кислород (1782). Это были первые шаги на пути исследования центральной роли растений в преобразовании веществ и энергии в биосфере Земли, первый шаг в новой науке — физиологии растений.

А. Лавуазье и другие французские ученые выяснили роль кислорода в дыхании животных и образовании животного тепла (1787—1790). В конце XVIII в. итальянский физик Л. Гальвани открыл «животное электричество», что привело в дальнейшем к развитию электрофизиологии. В это же время итальянский биолог Л. Спалланцани провел точные опыты, опровергавшие возможность самозарождения организмов.

На рубеже XIX века возникла палеонтология, изучающая ископаемые остатки животных и растений — свидетельства последовательного изменения — эволюции форм жизни в истории Земли. Основоположником ее был французский ученый Ж. Кювье.

Большое развитие получила эмбриология — наука о зародышевом развитии организма. Еще в XVII в. У. Гарвей сформулировал положение: «Все живое из яйца». Однако лишь в XIX в. эмбриология стала самостоятельной наукой. Особая заслуга в этом принадлежит ученому-естествоиспытателю К. М. Бэру, открывшему яйцо млекопитающих и обнаружившему общность плана строения зародышей животных разных классов.

В результате достижений биологических наук в первой половине XIX в. широко распространилась идея родства живых организмов, их происхождения в ходе эволюции. Первую целостную концепцию эволюции — происхождения видов животных и растений в результате их постепенного изменения от поколения к поколению — предложил Ж. Б. Ламарк.

Крупнейшим научным событием века стало эволюционное учение Ч. Дарвина (1859). Теория Дарвина оказала огромное влияние на все дальнейшее развитие биологии. Распространение эволюционной теории на представления о происхождении человека привело к созданию новой отрасли биологии — антропологии. На основе эволюционной теории немецкие ученые Ф. Мюллер и Э. Геккель сформулировали биогенетический закон.

Еще одно выдающееся достижение биологии XIX в. — создание немецким ученым Т. Шванном клеточной теории, доказавшей, что все живые организмы состоят из клеток. Тем самым была установлена общность не только макроскопического (анатомического), но и микроскопического строения живых существ. Так возникла еще одна биологическая наука — цитология (наука о клетках) и как следствие ее — учение о строении тканей и органов — гистология.

В результате открытий французского ученого Л. Пастера (микроорганизмы являются причиной спиртового брожения и вызывают многие болезни) самостоятельной биологической дисциплиной стала микробиология. Исследование микробной природы холеры птиц и бешенства млекопитающих привело Пастера к созданию иммунологии как самостоятельной биологической науки. Существенный вклад в ее развитие внес в конце XIX в. русский ученый И. И. Мечников.

Во второй половине XIX в. многие ученые пытались умозрительно решить загадку наследственности, раскрыть ее механизм. Но только Г. Менделю удалось установить на опыте закономерности наследственности (1865). Так были заложены основы генетики, ставшей самостоятельной наукой уже в XX в.

Важнейшее значение имело открытие вирусов русским ученым Д. И. Ивановским (1892).

В конце XIX в. большие успехи сделаны в биохимии. Швейцарский врач Ф. Мишер открыл нуклеиновые кислоты(1869), выполняющие, как было установлено в дальнейшем, функции хранения и передачи генетической информации. К началу XX в. было выяснено, что белки состоят из аминокислот, соединенных друг с другом, как показал немецкий ученый Э. Фишер, пептидными связями.

Физиология в XIX в. развивается в разных странах мира. Особенно существенными были работы французского физиолога К. Бернара, создавшего учение о постоянстве внутренней среды организма — гомеостазе. В Германии прогресс физиологии связан с именами И. Мюллера, Г. Гельмгольца, Э. Дюбуа-Реймона. Гельмгольц развил физиологию органов чувств, Дюбуа-Реймон стал основоположником изучения электрических явлений в физиологических процессах. Выдающийся вклад в развитие физиологии в конце XIX — начале XX в. внесли русские ученые: И. М. Сеченов, Н. Е. Введенский, И. П. Павлов, К. А. Тимирязев.

В XX в. развиваются новые биологические дисциплины и исследования в «классических» отраслях биологии. Особенно бурно развиваются генетика, цитология, физиология животных и растений, биохимия, эмбриология, эволюционное учение, учение о биосфере, а также микробиология, вирусология, паразитология и многие другие отрасли биологии.

Генетика сформировалась как самостоятельная биологическая наука, изучающая наследственность и изменчивость живых организмов. Американский ученый Т. Морган, исследуя гигантские хромосомы мухи дрозофилы, пришел к выводу, что гены находятся в клеточных ядрах, в хромосомах. Он, а также другие ученые разработали хромосомную теорию наследственности. Тем самым генетика в значительной мере объединилась с цитологией (цитогенетика) и стал понятен биологический смысл митоза и мейоза.

С начала нашего века началось быстрое развитие биохимических исследований во многих странах мира. Основное внимание было уделено путям превращения веществ и энергии во внутриклеточных процессах. Было установлено, что эти процессы в принципе одинаковы у всех живых существ — от бактерий до человека. Универсальным посредником в превращении энергии в клетке оказалась аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Советский ученый В. А. Энгельгардт открыл процесс образования АТФ при поглощении клетками кислорода.

Еще на рубеже XIX и XX вв. профессор Московского университета А. А. Колли поставил вопрос о молекулярном механизме передачи признаков по наследству. Ответ на вопрос дал в 1927 г. советский ученый Н. К. Кольцов, выдвинув матричный принцип кодирования генетической информации (Транскрипция, Трансляция).

Матричный принцип кодирования был разработан советским ученым Н. В. Тимофеевым-Ресовским и американским ученым М. Дельбрюком.

В 1953 г. американец Дж. Уотсон и англичанин Ф. Крик использовали этот принцип при анализе молекулярной структуры и биологических функций дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Так на основе биохимии, генетики и биофизики возникла самостоятельная наука — молекулярная биология.

В 1919 г. в Москве был основан первый в мире Институт биофизики. Эта наука исследует физические механизмы преобразования энергии и информации в биологических системах.

Значительных успехов добились науки, изучающие индивидуальное развитие организмов — Онтогенез. Были разработаны, в частности, методы искусственного партеногенеза.

В первой половине XX в. советский ученый В. И. Вернадский создал учение о биосфере Земли. В это же время В. Н. Сукачев заложил основы представлений о биогеоценозах.

Изучение взаимодействия отдельных особей и их совокупностей с окружающей средой привело к формированию экологии — науки о закономерностях взаимоотношений организмов со средой обитания (термин «экология» предложил в 1866 г. немецкий ученый Э. Геккель).

Самостоятельной биологической наукой стала этология, изучающая поведение животных.

В XX в. получила дальнейшее развитие теория биологической эволюции. Благодаря развитию палеонтологии и сравнительной анатомии было выяснено происхождение большинства крупных групп органического мира, вскрыты морфологические закономерности эволюции (советский ученый А. Н. Северцов). Огромное значение для развития эволюционной теории имел синтез генетики и дарвинизма (работы советского ученого С. С. Четверикова, английских ученых С. Райта, Р. Фишера, Дж. Б. С. Холдейна), приведший к созданию современного эволюционного учения.

Советский ученый Н. И. Вавилов на основании достижений эволюционной теории и генетики и в результате собственных многолетних исследований создал теорию центров происхождения культурных растений. А. И. Опарин распространил эволюционные представления на «предбиологический» период существования Земли и выдвинул теорию происхождения жизни.

С выходом человека в космическое пространство появилась новая наука — космическая биология. Основная задача ее — жизнеобеспечение людей в условиях космического полета, создание искусственных замкнутых биоценозов на космических кораблях и станциях, поиск возможных проявлений жизни на других планетах, а также подходящих условий для ее существования.

В 70-е гг. возникла новая отрасль молекулярной биологии — генная инженерия, задача которой — активная и целенаправленная перестройка генов живых существ, их конструирование, т. е. управление наследственностью. В результате этих работ стало возможным введение генов, взятых из одних организмов или даже искусственно синтезированных, в клетки других организмов (например, введение гена, кодирующего синтез инсулина у животных, в клетки бактерий). Стала возможной гибридизация клеток разных видов — клеточная инженерия. Разработаны методы, позволяющие выращивать организмы из отдельных клеток и тканей. Это открывает огромные перспективы в размножении копий — клонов ценных индивидуумов.

Все эти достижения имеют чрезвычайно важное практическое значение — они стали основой новой отрасли производства — биотехнологии. Уже сейчас осуществляется биосинтез лекарств, гормонов, витаминов, антибиотиков в промышленных масштабах. А в будущем таким путем мы сможем получить основные компоненты пищи — углеводы, белки, липиды. Использование солнечной энергии по принципу фотосинтеза растений в биоинженерных системах разрешит проблему обеспечения энергией основных потребностей людей.

Биологические дисциплины

Большинство биологических наук является дисциплинами с более узкой специализацией. Традиционно они группируются по типам исследуемых организмов:

· ботаника изучает растения, водоросли, грибы и грибоподобные организмы,

· зоология — животных и протистов,

· микробиология — микроорганизмы и вирусы.

Области внутри биологии далее делятся либо по масштабам исследования, либо по применяемым методам:

· биохимия изучает химические основы жизни,

· биофизика изучает физические основы жизни,

· молекулярная биология — сложные взаимодействия между биологическими молекулами,

· клеточная биология и цитология — основные строительные блоки многоклеточных организмов, клетки,

· гистология и анатомия — строение тканей и организма из отдельных органов и тканей,

· физиология — физические и химические функции органов и тканей,

· этология — поведение живых существ,

· экология — взаимозависимость различных организмов и их среды,

· генетика — закономерности наследственности и изменчивости,

· биология развития — развитие организма в онтогенезе,

· палеобиология и эволюционная биология — зарождение и историческое развитие живой природы.

На границах со смежными науками возникают: биомедицина, биофизика (изучение живых объектов физическими методами), биометрия и т. д. В связи с практическими потребностями человека возникают такие направления, как космическая биология, социобиология, физиология труда, бионика.

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

Биология как наука

Биология (от греч. биос — жизнь, логос — слово, наука) — это комплекс наук о живой природе.

Предметом биологии являются все проявления жизни: строение и функции живых существ, их разнообразие, происхождение и развитие, а также взаимодействие с окружающей средой. Основная задача биологии как науки состоит в истолковании всех явлений живой природы на научной основе, учитывая при этом, что целостному организму присущи свойства, в корне отличающиеся от его составляющих.

Термин «биология» встречается в трудах немецких анатомов Т. Роозе (1779) и К. Ф. Бурдаха (1800), однако только в 1802 году он был впервые употреблен независимо друг от друга Ж. Б. Ламар ком и Г. Р. Тревиранусом для обозначения науки, изучающей живые организмы.

Биологические науки

В настоящее время в состав биологии включают целый ряд наук, которые можно систематизировать по таким критериям: по предмету и преобладающим методам исследования и по изучаемому уровню организации живой природы. По предмету исследования биологические науки делят на бактериологию, ботанику, вирусологию, зоологию, микологию.

Ботаника — это биологическая наука, комплексно изучающая растения и растительный покров Земли. Зоология — раздел биологии, наука о многообразии, строении, жизнедеятельности, распространении и взаимосвязи животных со средой обитания, их происхождении и развитии. Бактериология — биологическая наука, изучающая строение и жизнедеятельность бактерий, а также их роль в природе. Вирусология — биологическая наука, изучающая вирусы. Основным объектом микологии являются грибы, их строение и особенности жизнедеятельности. Лихенология — биологическая наука, изучающая лишайники. Бактериология, вирусология и некоторые аспекты микологии часто рассматриваются в составе микробиологии — раздела биологии, науке о микроорганизмах (бактериях, вирусах и микроскопических грибах). Систематика, или таксономия, — биологическая наука, которая описывает и классифицирует по группам все живые и вымершие существа.

В свою очередь, каждая из перечисленных биологических наук подразделяется на биохимию, морфологию, анатомию, физиологию, эмбриологию, генетику и систематику (растений, животных или микроорганизмов). Биохимия — это наука о химическом составе живой материи, химических процессах, происходящих в живых организмах и лежащих в основе их жизнедеятельности. Морфология — биологическая наука, изучающая форму и строение организмов, а также закономерности их развития. В широком смысле она включает в себя цитологию, анатомию, гистологию и эмбриологию. Различают морфологию животных и растений. Анатомия — это раздел биологии (точнее — морфологии), наука, изучающая внутреннее строение и форму отдельных органов, систем и организма в целом. Анатомия растений рассматривается в составе ботаники, анатомия животных — в составе зоологии, а анатомия человека является отдельной наукой. Физиология — биологическая наука, изучающая процессы жизнедеятельности растительных и животных организмов, их отдельных систем, органов, тканей и клеток. Существуют физиология растений, животных и человека. Эмбриология (биология развития) — раздел биологии, наука об индивидуальном развитии организма, в том числе развитии зародыша.

Объектом генетики являются закономерности наследственности и изменчивости. В настоящее время это одна из наиболее динамично развивающихся биологических наук.

По изучаемому уровню организации живой природы выделяют молекулярную биологию, цитологию, гистологию, органологию, биологию организмов и надорганизменных систем. Молекулярная биология является одним из наиболее молодых разделов биологии, наука, изучающая, в частности, организацию наследственной информации и биосинтез белка. Цитология, или клеточная биология, — биологическая наука, объектом изучения которой являются клетки как одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Гистология — биологическая наука, раздел морфологии, объектом которой является строение тканей растений и животных. К сфере органологии относят морфологию, анатомию и физиологию различных органов и их систем.

Биология организмов включает все науки, предметом которых являются живые организмы, например, этологию — науку о поведении организмов.

Биология надорганизменных систем подразделяется на биогеографию и экологию. Распространение живых организмов изучает биогеография, тогда как экология — организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы.

По преобладающим методам исследования можно выделить описательную (например, морфологию), экспериментальную (например, физиологию) и теоретическую биологию.

Выявление и объяснение закономерностей строения, функционирования и развития живой природы на различных уровнях ее организации является задачей общей биологии. К ней относят биохимию, молекулярную биологию, цитологию, эмбриологию, генетику, экологию, эволюционное учение и антропологию. Эволюционное учение изучает причины, движущие силы, механизмы и общие закономерности эволюции живых организмов. Одним из его разделов является палеонтология — наука, предметом которой являются ископаемые останки живых организмов. Антропология — раздел общей биологии, наука о происхождении и развитии человека как биологического вида, а также разнообразии популяций современного человека и закономерностях их взаимодействия.

Прикладные аспекты биологии отнесены к сфере биотехнологии, селекции и других быстроразвивающихся наук. Биотехнологией называют биологическую науку, изучающую использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Она широко применяется в пищевой (хлебопечение, сыроделие, пивоварение и др.) и фармацевтической промышленностях (получение антибиотиков, витаминов), для очистки вод и т. п. Селекция — наука о методах создания пород домашних животных, сортов культурных растений и штаммов микроорганизмов с нужными человеку свойствами. Под селекцией понимают и сам процесс изменения живых организмов, осуществляемый человеком для своих потребностей.

Прогресс биологии тесно связан с успехами других естественных и точных наук, таких как физика, химия, математика, информатика и др. Например, микроскопирование, ультразвуковые исследования (УЗИ), томография и другие методы биологии основываются на физических закономерностях, а изучение структуры биологических молекул и процессов, происходящих в живых системах, было бы невозможным без применения химических и физических методов. Применение математических методов позволяет, с одной стороны, выявить наличие закономерной связи между объектами или явлениями, подтвердить достоверность полученных результатов, а с другой — смоделировать явление или процесс. В последнее время все большее значение в биологии приобретают компьютерные методы, например моделирование. На стыке биологии и других наук возник целый ряд новых наук, таких как биофизика, биохимия, бионика и др.

Достижения биологии

Наиболее важными событиями в области биологии, повлиявшими на весь ход ее дальнейшего развития, являются: установление молекулярной структуры ДНК и ее роли в передаче информации в живой материи (Ф. Крик, Дж. Уотсон, М. Уилкинс); расшифровка генетического кода (Р. Холли, Х. Г. Корана, М. Ниренберг); открытие структуры гена и генетической регуляции синтеза белков (А. М. Львов, Ф. Жакоб, Ж. Л. Моно и др.); формулировка клеточной теории (М. Шлейден, Т. Шванн, Р. Вирхов, К. Бэр); исследование закономерностей наследственности и изменчивости (Г. Мендель, Х. де Фриз, Т. Морган и др.); формулировка принципов современной систематики (К. Линней), эволюционной теории (Ч. Дарвин) и учения о биосфере (В. И. Вернадский).

Значимость открытий последних десятилетий еще предстоит оценить, однако наиболее крупными достижениями биологии были признаны: расшифровка генома человека и других организмов, определение механизмов контроля потока генетической информации в клетке и формирующемся организме, механизмов регуляции деления и гибели клеток, клонирование млекопитающих, а также открытие возбудителей «коровьего бешенства» (прионов).

Работы по программе «Геном человека», которые проводились одновременно в нескольких странах и были завершены в начале нынешнего века, привели нас к пониманию того, что у человека имеется около 25–30 тыс. генов, но информация с большей части нашей ДНК не считывается никогда, так как в ней содержится огромное количество участков и генов, кодирующих признаки, утратившие значение для человека (хвост, оволосение тела и др.). Кроме того, был расшифрован ряд генов, отвечающих за развитие наследственных заболеваний, а также генов-мишеней лекарственных препаратов. Однако практическое применение результатов, полученных в ходе реализации данной программы, откладывается до тех пор, пока не будут расшифрованы геномы значительного количества людей, и тогда станет понятно, в чем же все-таки их различие. Эти цели поставлены перед целым рядом ведущих лабораторий всего мира, работающих над реализацией программы «ENCODE».

Биологические исследования являются фундаментом медицины, фармации, широко используются в сельском и лесном хозяйстве, пищевой промышленности и других отраслях человеческой деятельности.

Хорошо известно, что только «зеленая революция» 1950-х годов позволила хотя бы частично решить проблему обеспечения быстро растущего населения Земли продуктами питания, а животноводство — кормами за счет внедрения новых сортов растений и прогрессивных технологий их выращивания. В связи с тем, что генетически запрограммированные свойства сельскохозяйственных культур уже почти исчерпаны, дальнейшее решение продовольственной проблемы связывают с широким введением в производство генетически модифицированных организмов.

Производство многих продуктов питания, таких как сыры, йогурты, колбасы, хлебобулочные изделия и др., также невозможно без использования бактерий и грибов, что является предметом биотехнологии.

Познание природы возбудителей, процессов течения многих заболеваний, механизмов иммунитета, закономерностей наследственности и изменчивости позволили существенно снизить смертность и даже полностью искоренить ряд болезней, таких, например, как черная оспа. С помощью новейших достижений биологической науки решается и проблема репродукции человека.

Значительная часть современных лекарственных препаратов производится на основе природного сырья, а также благодаря успехам генной инженерии, как, например, инсулин, столь необходимый больным сахарным диабетом, в основном синтезируется бактериями, которым перенесен соответствующий ген.

Не менее значимы биологические исследования для сохранения окружающей среды и разнообразия живых организмов, угроза исчезновения которых ставит под сомнение существование человечества.

Наибольшее значение среди достижений биологии имеет тот факт, что они лежат даже в основе построения нейронных сетей и генетического кода в компьютерных технологиях, а также широко используются в архитектуре и других отраслях. Вне всякого сомнения, наступивший XXI век является веком биологии.

Методы познания живой природы

Как и любая другая наука, биология имеет свой арсенал методов. Помимо научного метода познания, применяемого в других отраслях, в биологии широко используются такие методы, как исторический, сравнительно-описательный и др.

Научный метод познания включает в себя наблюдение, формулировку гипотез, эксперимент, моделирование, анализ результатов и выведение общих закономерностей.

Наблюдение — это целенаправленное восприятие объектов и явлений с помощью органов чувств или приборов, обусловленное задачей деятельности. Основным условием научного наблюдения является его объективность, т. е. возможность проверки полученных данных путем повторного наблюдения или применения иных методов исследования, например эксперимента. Полученные в результате наблюдения факты называются данными. Они могут быть как качественными (описывающими запах, вкус, цвет, форму и т. д.), так и количественными, причем количественные данные являются более точными, чем качественные.

На основе данных наблюдений формулируется гипотеза — предположительное суждение о закономерной связи явлений. Гипотеза подвергается проверке в серии экспериментов. Экспериментом называется научно поставленный опыт, наблюдение исследуемого явления в контролируемых условиях, позволяющих выявить характеристики данного объекта или явления. Высшей формой эксперимента является моделирование — исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей. По существу это одна из основных категорий теории познания: на идее моделирования базируется любой метод научного исследования — как теоретический, так и экспериментальный.

Результаты эксперимента и моделирования подвергаются тщательному анализу. Анализом называют метод научного исследования путем разложения предмета на составные части или мысленного расчленения объекта путем логической абстракции. Анализ неразрывно связан с синтезом. Синтез — это метод изучения предмета в его целостности, в единстве и взаимной связи его частей. В результате анализа и синтеза наиболее удачная гипотеза исследования становится рабочей гипотезой, и если она способна устоять при попытках ее опровержения и по-прежнему удачно предсказывает ранее необъясненные факты и взаимосвязи, то она может стать теорией.

Под теорией понимают такую форму научного знания, которая дает целостное представление о закономерностях и существенных связях действительности. Общее направление научного исследования состоит в достижении более высоких уровней предсказуемости. Если теорию не способны изменить никакие факты, а встречающиеся отклонения от нее регулярны и предсказуемы, то ее можно возвести в ранг закона — необходимого, существенного, устойчивого, повторяющегося отношения между явлениями в природе.

По мере увеличения совокупности знаний и совершенствования методов исследования гипотезы и прочно укоренившиеся теории могут оспариваться, видоизменяться и даже отвергаться, поскольку сами научные знания по своей природе динамичны и постоянно подвергаются критическому переосмыслению.

Исторический метод выявляет закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функции. В ряде случаев с помощью этого метода новую жизнь обретают гипотезы и теории, ранее считавшиеся ложными. Так, например, произошло с предположениями Ч. Дарвина о природе передачи сигналов по растению в ответ на воздействия окружающей среды.

Сравнительно-описательный метод предусматривает проведение анатомо-морфологического анализа объектов исследования. Он лежит в основе классификации организмов, выявления закономерностей возникновения и развития различных форм жизни.

Мониторинг — это система мероприятий по наблюдению, оценке и прогнозу изменения состояния исследуемого объекта, в частности биосферы.

Проведение наблюдений и экспериментов требует зачастую применения специального оборудования, такого как микроскопы, центрифуги, спектрофотометры и др.

Микроскопия широко применяется в зоологии, ботанике, анатомии человека, гистологии, цитологии, генетике, эмбриологии, палеонтологии, экологии и других разделах биологии. Она позволяет изучить тонкое строение объектов с использованием световых, электронных, рентгеновских и других типов микроскопов.

Устройство светового микроскопа. Световой микроскоп состоит из оптических и механических частей. К первым относятся окуляр, объективы и зеркало, а ко вторым — тубус, штатив, основание, предметный столик и винт.

Общее увеличение микроскопа определяется по формуле:

увеличение объектива $×$ увеличение окуляра $-$ увеличение микроскопа.

Например, если объектив увеличивает объект в $8$ раз, а окуляр — в $7$, то общее увеличение микроскопа равно $56$.

Дифференциальное центрифугирование, или фракционирование, позволяет разделить частицы по их размерам и плотности под действием центробежной силы, что активно используется при изучении строения биологических молекул и клеток.

Арсенал методов биологии постоянно обновляется, и в настоящее время охватить его полностью практически невозможно. Поэтому некоторые методы, используемые в отдельных биологических науках, будут рассмотрены далее.

Роль биологии в формировании современной естественнонаучной картины мира

На этапе становления биология еще не существовала отдельно от других естественных наук и ограничивалась лишь наблюдением, изучением, описанием и классификацией представителей животного и растительного мира, т. е. была описательной наукой. Однако это не помешало античным естествоиспытателям Гиппократу (ок. 460–377 гг. до н. э.), Аристотелю (384–322 гг. до н. э.) и Теофрасту (настоящее имя Тиртам, 372–287 гг. до н. э.) внести значительный вклад в развитие представлений о строении тела человека и животных, а также о биологическом разнообразии животных и растений, заложив тем самым основы анатомии и физиологии человека, зоологии и ботаники.

Углубление познаний о живой природе и систематизация ранее накопленных фактов, происходившие в XVI–XVIII веках, увенчались введением бинарной номенклатуры и созданием стройной систематики растений (К. Линней) и животных (Ж. Б. Ламарк).

Описание значительного числа видов со сходными морфологическими признаками, а также палеонтологические находки стали предпосылками к развитию представлений о происхождении видов и путях исторического развития органического мира. Так, опыты Ф. Реди, Л. Спалланцани и Л. Пастера в XVII–ХIХ веках опровергли гипотезу спонтанного самозарождения, выдвинутую еще Аристотелем и бытовавшую в Средние века, а теория биохимической эволюции А. И. Опарина и Дж. Холдейна, блестяще подтвержденная С. Миллером и Г. Юри, позволила дать ответ на вопрос о происхождении всего живого.

Если процесс возникновения живого из неживых компонентов и его эволюция сами по себе уже не вызывают сомнений, то механизмы, пути и направления исторического развития органического мира все еще до конца не выяснены, поскольку ни одна из двух основных соперничающих между собой теорий эволюции (синтетическая теория эволюции, созданная на основе теории Ч. Дарвина, и теория Ж. Б. Ламарка) все еще не могут предъявить исчерпывающих доказательств.

Применение микроскопии и других методов смежных наук, обусловленное прогрессом в области других естественных наук, а также внедрение практики эксперимента позволило немецким ученым Т. Шванну и М. Шлейдену еще в XIX веке сформулировать клеточную теорию, позднее дополненную Р. Вирховым и К. Бэром. Она стала важнейшим обобщением в биологии, которое краеугольным камнем легло в основу современных представлений о единстве органического мира.

Открытие закономерностей передачи наследственной информации чешским монахом Г. Менделем послужило толчком к дальнейшему бурному развитию биологии в ХХ–ХХI веках и привело не только к открытию универсального носителя наследственности — ДНК, но и генетического кода, а также фундаментальных механизмов контроля, считывания и изменчивости наследственной информации.

Развитие представлений об окружающей среде привело к возникновению такой науки, как экология, и формулировке учения о биосфере как о сложной многокомпонентной планетарной системе связанных между собой огромных биологических комплексов, а также химических и геологических процессов, происходящих на Земле (В. И. Вернадский), что в конечном итоге позволяет хотя бы в небольшой степени уменьшить негативные последствия хозяйственной деятельности человека.

Таким образом, биология сыграла немаловажную роль в становлении современной естественнонаучной картины мира.

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

Уровневая организация и эволюция

Живая природа — не однородное образование, подобное кристаллу, она представлена бесконечным разнообразием составляющих ее объектов (одних только видов организмов в настоящее время описано около 2 млн). Вместе с тем это разнообразие не является и свидетельством хаоса, царящего в ней, поскольку организмы имеют клеточное строение, организмы одного вида образуют популяции, все популяции, обитающие на одном участке суши или воды, образуют сообщества, а во взаимодействии с телами неживой природы формируют биогеоценозы, в свою очередь составляющие биосферу.

Таким образом, живая природа является системой, компоненты которой можно расположить в строгом порядке: от низших к высшим. Данный принцип организации позволяет выделить в живой природе отдельные уровни и дает комплексное представление о жизни как о природном явлении. На каждом из уровней организации определяют элементарную единицу и элементарное явление. В качестве элементарной единицы рассматривают структуру или объект, изменения которых составляют специфический для соответствующего уровня вклад в процесс сохранения и развития жизни, тогда как само это изменение является элементарным явлением.

Формирование такой многоуровневой структуры не могло произойти мгновенно — это результат миллиардов лет исторического развития, в процессе которого происходило прогрессивное усложнение форм жизни: от комплексов органических молекул к клеткам, от клеток — к организмам и т. д. Однажды возникнув, эта структура поддерживает свое существование за счет сложной системы регуляции и продолжает развиваться, причем на каждом из уровней организации живой материи происходят соответствующие эволюционные преобразования.

Основные уровни организации живой природы: клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный

В настоящее время выделяют несколько основных уровней организации живой материи: клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.

Клеточный уровень

Хотя проявления некоторых свойств живого обусловлены уже взаимодействием биологических макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и др.), все же единицей строения, функций и развития живого является клетка, способная осуществлять и сопрягать процессы реализации и передачи наследственной информации с обменом веществ и превращения энергии, обеспечивая тем самым функционирование более высоких уровней организации. Элементарной единицей клеточного уровня организации является клетка, а элементарным явлением — реакции клеточного метаболизма.

Организменный уровень

Организм — это целостная система, способная к самостоятельному существованию. По количеству клеток, входящих в состав организмов, их делят на одноклеточные и многоклеточные. Клеточный уровень организации у одноклеточных организмов (амебы обыкновенной, эвглены зеленой и др.) совпадает с организменным. В истории Земли был период, когда все организмы были представлены только одноклеточными формами, но они обеспечивали функционирование как биогеоценозов, так и биосферы в целом. Большинство многоклеточных организмов представлено совокупностью тканей и органов, в свою очередь также имеющих клеточное строение. Органы и ткани приспособлены для выполнения определенных функций. Элементарной единицей данного уровня является особь в ее индивидуальном развитии, или онтогенезе, поэтому организменный уровень также называют онтогенетическим. Элементарным явлением данного уровня являются изменения организма в его индивидуальном развитии.

Популяционно-видовой уровень

Популяция — это совокупность особей одного вида, свободно скрещивающихся между собой и проживающих обособленно от других таких же групп особей.

В популяциях происходит свободный обмен наследственной информацией и ее передача потомкам. Популяция является элементарной единицей популяционно-видового уровня, а элементарным явлением в данном случае являются эволюционные преобразования, например мутации и естественный отбор.

Биогеоценотический уровень

Биогеоценоз представляет собой исторически сложившееся сообщество популяций разных видов, взаимосвязанных между собой и окружающей средой обменом веществ и энергии.

Биогеоценозы являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов. Сами биогеоценозы — это элементарные единицы данного уровня, тогда как элементарные явления — это потоки энергии и круговороты веществ в них. Биогеоценозы составляют биосферу и обусловливают все процессы, протекающие в ней.

Биосферный уровень

Биосфера — оболочка Земли, населенная живыми организмами и преобразуемая ими.

Биосфера является самым высоким уровнем организации жизни на планете. Эта оболочка охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхний слой литосферы. Биосфера, как и все другие биологические системы, динамична и активно преобразуется живыми существами. Она сама является элементарной единицей биосферного уровня, а в качестве элементарного явления рассматривают процессы круговорота веществ и энергии, происходящие при участии живых организмов.

Как уже было сказано выше, каждый из уровней организации живой материи вносит свою лепту в единый эволюционный процесс: в клетке не только воспроизводится заложенная наследственная информация, но и происходит ее изменение, что приводит к возникновению новых сочетаний признаков и свойств организма, в свою очередь подвергающихся действию естественного отбора на популяционно-видовом уровне и т. д.

Биологические системы

Биологические объекты различной степени сложности (клетки, организмы, популяции и виды, биогеоценозы и саму биосферу) рассматривают в настоящее время в качестве биологических систем.

Система — это единство структурных компонентов, взаимодействие которых порождает новые свойства по сравнению с их механической совокупностью. Так, организмы состоят из органов, органы образованы тканями, а ткани формируют клетки.

Характерными чертами биологических систем являются их целостность, уровневый принцип организации, о чем говорилось выше, и открытость. Целостность биологических систем в значительной степени достигается за счет саморегуляции, функционирующей по принципу обратной связи.

К открытым системам относят системы, между которыми и окружающей средой происходит обмен веществ, энергии и информации, например, растения в процессе фотосинтеза улавливают солнечный свет и поглощают воду и углекислый газ, выделяя кислород.

Общие признаки биологических систем: клеточное строение, особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, гомеостаз, раздражимость, движение, рост и развитие, воспроизведение, эволюция

Биологические системы отличаются от тел неживой природы совокупностью признаков и свойств, среди которых основными являются клеточное строение, особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, гомеостаз, раздражимость, движение, рост и развитие, воспроизведение и эволюция.

Элементарной структурно-функциональной единицей живого является клетка. Даже вирусы, относящиеся к неклеточным формам жизни, неспособны к самовоспроизведению вне клеток.

Различают два типа строения клеток: прокариотические и эукариотические. Прокариотические клетки не имеют сформированного ядра, их генетическая информация сосредоточена в цитоплазме. К прокариотам относят прежде всего бактерии. Генетическая информация в эукариотических клетках хранится в особой структуре — ядре. Эукариотами являются растения, животные и грибы. Если в одноклеточных организмах клетке присущи все проявления живого, то у многоклеточных происходит специализация клеток.

В живых организмах не встречается ни одного химического элемента, которого бы не было в неживой природе, однако их концентрации существенно различаются в первом и во втором случаях. Преобладают в живой природе такие элементы, как углерод, водород и кислород, которые входят в состав органических соединений, тогда как для неживой природы в основном характерны неорганические вещества. Важнейшими органическими соединениями являются нуклеиновые кислоты и белки, которые обеспечивают функции самовоспроизведения и самоподдержания, но ни одно из этих веществ не является носителем жизни, поскольку ни по отдельности, ни в группе они не способны к самовоспроизведению — для этого необходим целостный комплекс молекул и структур, которым и является клетка.

Все живые системы, в том числе клетки и организмы, являются открытыми системами. Однако, в отличие от неживой природы, где в основном происходит перенос веществ с одного места в другое или изменение их агрегатного состояния, живые существа способны к химическому превращению потребляемых веществ и использованию энергии. Обмен веществ и превращения энергии связаны с такими процессами, как питание, дыхание и выделение.

Под питанием обычно понимают поступление в организм, переваривание и усвоение им веществ, необходимых для пополнения энергетических запасов и построения тела организма. По способу питания все организмы делят на автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофы — это организмы, которые способны сами синтезировать органические вещества из неорганических.

Гетеротрофы — это организмы, которые потребляют в пищу готовые органические вещества. Автотрофы делятся на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Фотоавтотрофы используют для синтеза органических веществ энергию солнечного света. Процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений называется фотосинтезом. К фотоавтотрофам относится подавляющее большинство растений и некоторые бактерии (например, цианобактерии). В целом фотосинтез не слишком продуктивный процесс, вследствие чего большинство растений вынуждено вести прикрепленный образ жизни. Хемоавтотрофы извлекают энергию для синтеза органических соединений из неорганических соединений. Этот процесс называется хемосинтезом. Типичными хемоавтотрофами являются некоторые бактерии, в том числе серобактерии и железобактерии.

Остальные организмы — животные, грибы и подавляющее большинство бактерий — относятся к гетеротрофам.

Дыханием называют процесс расщепления органических веществ до более простых, при котором выделяется энергия, необходимая для поддержания жизнедеятельности организмов.

Различают аэробное дыхание, требующее кислорода, и анаэробное, протекающее без участия кислорода. Большинство организмов является аэробами, хотя среди бактерий, грибов и животных встречаются и анаэробы. При кислородном дыхании сложные органические вещества могут расщепляться до воды и углекислого газа.

Под выделением обычно понимают выведение из организма конечных продуктов метаболизма и избытка различных веществ (воды, солей и др.), поступивших с пищей или образовавшихся в нем. Особенно интенсивно процессы выделения протекают у животных, тогда как растения чрезвычайно экономны.

Благодаря обмену веществ и энергии обеспечивается взаимосвязь организма с окружающей средой и поддерживается гомеостаз.

Гомеостаз — это способность биологических систем противостоять изменениям и поддерживать относительное постоянство химического состава, строения и свойств, а также обеспечивать постоянство функционирования в изменяющихся условиях окружающей среды. Приспособление же к изменяющимся условиям среды называется адаптацией.

Раздражимость — это универсальное свойство живого реагировать на внешние и внутренние воздействия, которое лежит в основе приспособления организма к условиям окружающей среды и их выживания. Реакция растений на изменения внешних условий заключается, например, в повороте листовых пластинок к свету, а у большинства животных она имеет более сложные формы, имеющие рефлекторный характер.

Движение — неотъемлемое свойство биологических систем. Оно проявляется не только в виде перемещения тел и их частей в пространстве, например, в ответ на раздражение, но и в процессе роста и развития.

Новые организмы, появляющиеся в результате репродукции, получают от родителей не готовые признаки, а определенные генетические программы, возможность развития тех или иных признаков. Эта наследственная информация реализуется во время индивидуального развития. Индивидуальное развитие выражается, как правило, в количественных и качественных изменениях организма. Количественные изменения организма называются ростом. Они проявляются, например, в виде увеличения массы и линейных размеров организма, что основано на воспроизведении молекул, клеток и других биологических структур.

Развитие организма — это появление качественных различий в структуре, усложнение функций и т. д., что базируется на дифференцировании клеток.

Рост организмов может продолжаться всю жизнь или заканчиваться на каком-то определенном ее этапе. В первом случае говорят о неограниченном, или открытом росте. Он характерен для растений и грибов. Во втором случае мы имеем дело с ограниченным, или закрытым ростом, присущим животным и бактериям.

Продолжительность существования отдельной клетки, организма, вида и других биологических систем ограничена во времени в основном из-за воздействия факторов окружающей среды, поэтому требуется постоянное воспроизведение этих систем. В основе воспроизведения клеток и организмов лежит процесс самоудвоения молекул ДНК. Размножение организмов обеспечивает существование вида, а размножение всех видов, населяющих Землю, обеспечивает существование биосферы.

Наследственностью называют передачу признаков родительских форм в ряду поколений.

Однако, если бы при воспроизведении признаки сохранялись, приспособление к меняющимся условиям окружающей среды было бы невозможным. В связи с этим появилось противоположное наследственности свойство — изменчивость.

Изменчивость — это возможность приобретения в течение жизни новых признаков и свойств, которое обеспечивает эволюцию и выживание наиболее приспособленных видов.

Эволюция — это необратимый процесс исторического развития живого.

Она базируется на прогрессивном размножении, наследственной изменчивости, борьбе за существование и естественном отборе. Действие этих факторов привело к огромному разнообразию форм жизни, приспособленных к различным условиям среды обитания. Прогрессивная эволюция прошла ряд ступеней: доклеточных форм, одноклеточных организмов, все усложняющихся многоклеточных вплоть до человека.

Генетика, ее задачи. Наследственность и изменчивость — свойства организмов.
Методы генетики. Основные генетические понятия и символика. Хромосомная теория
наследственности. Современные представления о гене и геноме

Генетика, ее задачи

Успехи естествознания и клеточной биологии в XVIII–XIX веках позволили ряду ученых высказать предположения о существовании неких наследственных факторов, определяющих, например, развитие наследственных болезней, однако эти предположения не были подкреплены соответствующими доказательствами. Даже сформулированная Х. де Фризом в 1889 году теория внутриклеточного пангенеза, которая предполагала существование в ядре клетки неких «пангенов », определяющих наследственные задатки организма, и выход в протоплазму только тех из них, которые определяют тип клетки, не смогла изменить ситуацию, как и теория «зародышевой плазмы» А. Вейсмана, согласно которой приобретенные в процессе онтогенеза признаки не наследуются.

Лишь труды чешского исследователя Г. Менделя (1822–1884) стали основополагающим камнем современной генетики. Однако, несмотря на то, что его труды цитировались в научных изданиях, современники не обратили на них внимания. И лишь повторное открытие закономерностей независимого наследования сразу тремя учеными — Э. Чермаком, К. Корренсом и Х. де Фризом — вынудило научную общественность обратиться к истокам генетики.

Генетика — это наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости и методы управления ими.

Задачами генетики на современном этапе являются исследование качественных и количественных характеристик наследственного материала, анализ структуры и функционирования генотипа, расшифровка тонкой структуры гена и методов регуляции генной активности, поиск генов, вызывающих развитие наследственных болезней человека и методов их «исправления», создание нового поколения лекарственных препаратов по типу ДНК-вакцин, конструирование с помощью средств генной и клеточной инженерии организмов с новыми свойствами, которые могли бы производить необходимые человеку лекарственные препараты и продукты питания, а также полная расшифровка генома человека.

Наследственность и изменчивость — свойства организмов

Наследственность — это способность организмов передавать свои признаки и свойства в ряду поколений.

Изменчивость — свойство организмов приобретать новые признаки в течение жизни.

Признаки — это любые морфологические, физиологические, биохимические и иные особенности организмов, по которым одни из них отличаются от других, например цвет глаз. Свойствами же называют любые функциональные особенности организмов, в основе которых лежит определенный структурный признак или группа элементарных признаков.

Признаки организмов можно разделить на качественные и количественные. Качественные признаки имеют два-три контрастных проявления, которые называют альтернативными признаками, например голубой и карий цвет глаз, тогда как количественные (удойность коров, урожайность пшеницы) не имеют четко выраженных различий.

Материальным носителем наследственности является ДНК. У эукариот различают два типа наследственности: генотипическую и цитоплазматическую. Носители генотипической наследственности локализованы в ядре и далее речь пойдет именно о ней, а носителями цитоплазматической наследственности являются находящиеся в митохондриях и пластидах кольцевые молекулы ДНК. Цитоплазматическая наследственность передается в основном с яйцеклеткой, поэтому называется также материнской.

В митохондриях клеток человека локализовано небольшое количество генов, однако их изменение может оказывать существенное влияние на развитие организма, например приводить к развитию слепоты или постепенному снижению подвижности. Пластиды играют не менее важную роль в жизни растений. Так, в некоторых участках листа могут присутствовать бесхлорофильные клетки, что приводит, с одной стороны, к снижению продуктивности растения, а с другой — такие пестролистные организмы ценятся в декоративном озеленении. Воспроизводятся такие экземпляры в основном бесполым способом, так как при половом размножении чаще получаются обычные зеленые растения.

Методы генетики

1. Гибридологический метод, или метод скрещиваний, заключается в подборе родительских особей и анализе потомства. При этом о генотипе организма судят по фенотипическим проявлениям генов у потомков, полученных при определенной схеме скрещивания. Это старейший информативный метод генетики, который наиболее полно впервые применил Г. Мендель в сочетании со статистическим методом. Данный метод неприменим в генетике человека по этическим соображениям.

2. Цитогенетический метод основан на исследовании кариотипа: числа, формы и величины хромосом организма. Изучение этих особенностей позволяет выявить различные патологии развития.

3. Биохимический метод позволяет определять содержание различных веществ в организме, в особенности их избыток или недостаток, а также активность целого ряда ферментов.

4. Молекулярно-генетические методы направлены на выявление вариаций в структуре и расшифровку первичной последовательности нуклеотидов исследуемых участков ДНК. Они позволяют выявить гены наследственных болезней даже у эмбрионов, установить отцовство и т. д.

5. Популяционно-статистический метод позволяет определить генетический состав популяции, частоту определенных генов и генотипов, генетический груз, а также наметить перспективы развития популяции.

6. Метод гибридизации соматических клеток в культуре позволяет определить локализацию определенных генов в хромосомах при слиянии клеток различных организмов, например, мыши и хомяка, мыши и человека и т. д.

Основные генетические понятия и символика

Ген — это участок молекулы ДНК, или хромосомы, несущий информацию об определенном признаке или свойстве организма.

Некоторые гены могут оказывать влияние на проявление сразу нескольких признаков. Такое явление называется плейотропией. Например, ген, обусловливающий развитие наследственного заболевания арахнодактилии (паучьи пальцы), вызывает также искривление хрусталика, патологии многих внутренних органов.

Каждый ген занимает в хромосоме строго определенное место — локус. Так как в соматических клетках большинства эукариотических организмов хромосомы парные (гомологичные), то в каждой из парных хромосом находится по одной копии гена, отвечающего за определенный признак. Такие гены называются аллельными.

Аллельные гены чаще всего существуют в двух вариантах — доминантном и рецессивном. Доминантной называют аллель, которая проявляется вне зависимости от того, какой ген находится в другой хромосоме, и подавляет развитие признака, кодируемого рецессивным геном. Доминантные аллели обозначаются обычно прописными буквами латинского алфавита (A, B, C и др.), а рецессивные — строчными (a, b, c и др.). Рецессивные аллели могут проявляться только в том случае, если они занимают локусы в обеих парных хромосомах.

Организм, у которого в обеих гомологичных хромосомах находятся одинаковые аллели, называется гомозиготным по данному гену, или гомозиготой (AA, aa, ААBB, ааbb и т. д.), а организм, у которого в обеих гомологичных хромосомах находятся разные варианты гена — доминантный и рецессивный — называется гетерозиготным по данному гену, или гетерозиготой (Aa, АаBb и т. д.).

Ряд генов может иметь три и более структурных варианта, например группы крови по системе AB0 кодируются тремя аллелями — I^A, I^B, i. Такое явление называется множественным аллелизмом. Однако даже в этом случае каждая хромосома из пары несет только одну аллель, то есть все три варианта гена у одного организма не могут быть представлены.

Геном — совокупность генов, характерная для гаплоидного набора хромосом.

Генотип — совокупность генов, характерная для диплоидного набора хромосом.

Фенотип — совокупность признаков и свойств организма, которая является результатом взаимодействия генотипа и окружающей среды.

Поскольку организмы отличаются между собой многими признаками, установить закономерности их наследования можно только при анализе двух и более признаков в потомстве. Скрещивание, при котором рассматривается наследование и проводится точный количественный учет потомства по одной паре альтернативных признаков, называется моногибридным, по двум парам — дигибридным, по большему количеству признаков — полигибридным.

По фенотипу особи далеко не всегда можно установить ее генотип, поскольку как гомозиготный по доминантному гену организм (АА), так и гетерозиготный (Аа) будет иметь в фенотипе проявление доминантной аллели. Поэтому для проверки генотипа организма с перекрестным оплодотворением применяют анализирующее скрещивание — скрещивание, при котором организм с доминантным признаком скрещивается с гомозиготным по рецессивному гену. При этом гомозиготный по доминантному гену организм не будет давать расщепления в потомстве, тогда как в потомстве гетерозиготных особей наблюдается равное количество особей с доминантным и рецессивным признаками.

Для записи схем скрещиваний чаще всего применяются следующие условные обозначения:

Р (от лат. парента — родители) — родительские организмы;

$♀$ (алхимический знак Венеры — зеркало с ручкой) — материнская особь;

$♂$ (алхимический знак Марса — щит и копье) — отцовская особь;

$×$ — знак скрещивания;

F₁, F₂, F₃ и т. д. — гибриды первого, второго, третьего и последующих поколений;

F_а — потомство от анализирующего скрещивания.

Хромосомная теория наследственности

Основоположник генетики Г. Мендель, равно как и его ближайшие последователи, не имели ни малейшего представления о материальной основе наследственных задатков, или генов. Однако уже в 1902–1903 годах немецкий биолог Т. Бовери и американский студент У. Сэттон независимо друг от друга предположили, что поведение хромосом при созревании клеток и оплодотворении позволяет объяснить расщепление наследственных факторов по Менделю, т. е., по их мнению, гены должны быть расположены в хромосомах. Данные предположения стали краеугольным камнем хромосомной теории наследственности.

В 1906 году английские генетики У. Бэтсон и Р. Пеннет обнаружили нарушение менделевского расщепления при скрещивании душистого горошка, а их соотечественник Л. Донкастер в экспериментах с бабочкой крыжовенной пяденицей открыл сцепленное с полом наследование. Результаты этих экспериментов явно противоречили менделевским, но если учесть, что к тому времени уже было известно о том, что количество известных признаков для экспериментальных объектов намного превышало количество хромосом, а это наводило на мысль, что каждая хромосома несет более одного гена, а гены одной хромосомы наследуются совместно.

В 1910 году начинаются эксперименты группы Т. Моргана на новом экспериментальном объекте — плодовой мушке дрозофиле. Результаты этих экспериментов позволили к середине 20-х годов XX века сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности, определить порядок расположения генов в хромосомах и расстояния между ними, т. е. составить первые карты хромосом.

Основные положения хромосомной теории наследственности:

1. Гены расположены в хромосомах. Гены одной хромосомы наследуются совместно, или сцепленно, и называются группой сцепления. Число групп сцепления численно равно гаплоидному набору хромосом.
2. Каждый ген занимает в хромосоме строго определенное место — локус.
3. Гены в хромосомах расположены линейно.
4. Нарушение сцепления генов происходит только в результате кроссинговера.
5. Расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту кроссинговера между ними.
6. Независимое наследование характерно только для генов негомологичных хромосом.

Современные представления о гене и геноме

В начале 40-х годов ХХ века Дж. Бидл и Э. Тейтум, анализируя результаты генетических исследований, проведенных на грибе нейроспоре, пришли к выводу, что каждый ген контролирует синтез какого-либо фермента, и сформулировали принцип «один ген — один фермент».

Однако уже в 1961 году Ф. Жакобу, Ж. Л. Моно и А. Львову удалось расшифровать структуру гена кишечной палочки и исследовать регуляцию его активности. За это открытие им в 1965 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

В процессе исследования, кроме структурных генов, контролирующих развитие определенных признаков, им удалось выявить и регуляторные, основной функцией которых является проявление признаков, кодируемых другими генами.

Структура прокариотического гена. Структурный ген прокариот имеет сложное строение, поскольку в его состав входят регуляторные участки и кодирующие последовательности. К регуляторным участкам относятся промотор, оператор и терминатор. Промотором называют участок гена, к которому прикрепляется фермент РНК-полимераза, обеспечивающий синтез иРНК в процессе транскрипции. С оператором, располагающимся между промотором и структурной последовательностью, может связываться белок-репрессор, не позволяющий РНК-полимеразе начать считывание наследственной информации с кодирующей последовательности, и только его удаление позволяет начать транскрипцию. Структура репрессора закодирована обычно в регуляторном гене, находящемся в другом участке хромосомы. Считывание информации заканчивается на участке гена, который называется терминатором.

Кодирующая последовательность структурного гена содержит информацию о последовательности аминокислот в соответствующем белке. Кодирующую последовательность у прокариот называют цистроном, а совокупность кодирующих и регуляторных участков гена прокариот — опероном. В целом прокариоты, к которым относится и кишечная палочка, имеют сравнительно небольшое количество генов, расположенных в единственной кольцевой хромосоме.

Цитоплазма прокариот может содержать также дополнительные небольшие кольцевые или незамкнутые молекулы ДНК, которые называются плазмидами. Плазмиды способны встраиваться в хромосомы и передаваться от одной клетки к другой. Они могут нести информацию о половых признаках, патогенности и устойчивости к антибиотикам.

Структура эукариотического гена. В отличие от прокариот, гены эукариот не имеют оперонной структуры, поскольку не содержат оператора, и каждый структурный ген сопровождается только промотором и терминатором. Кроме того, в генах эукариот значащие участки (экзоны) чередуются с незначащими (интронами), которые полностью переписываются на иРНК, а затем вырезаются в процессе их созревания. Биологическая роль интронов состоит в снижении вероятности мутаций в значащих участках. Регуляция генов эукариот намного сложнее, нежели описанная для прокариот.

Геном человека. В каждой клетке человека в 46 хромосомах находится около 2 м ДНК, плотно упакованной в двойную спираль, которая состоит примерно из 3,2 $×$ 10⁹ нуклеотидных пар, что обеспечивает около 10^1900000000 возможных уникальных комбинаций. К концу 80-х годов ХХ века было известно расположение примерно 1500 генов человека, однако их общее количество оценивали примерно в 100 тыс., поскольку только наследственных болезней у человека имеется примерно 10 тыс., не говоря уже о количестве разнообразных белков, содержащихся в клетках.

В 1988 году стартовал международный проект «Геном человека», который к началу XXI века закончился полной расшифровкой последовательности нуклеотидов. Он дал возможность понять, что два разных человека на 99,9 % имеют сходные последовательности нуклеотидов, и лишь остающиеся 0,1 % определяют нашу индивидуальность. Всего было обнаружено примерно 30–40 тыс. структурных генов, однако затем их количество было снижено до 25–30 тыс. Среди этих генов имеются не только уникальные, но и повторяющиеся сотни и тысячи раз. Тем не менее данные гены кодируют гораздо большее количество белков, например десятки тысяч защитных белков — иммуноглобулинов.

97 % нашего генома является генетическим «мусором», который существует только потому, что умеет хорошо воспроизводиться (РНК, которые транскрибируются на этих участках, никогда не покидают ядро). Например, среди наших генов есть не только «человеческие» гены, но и 60 % генов, похожих на гены мушки дрозофилы, а с шимпанзе нас роднит до 99 % генов.

Параллельно с расшифровкой генома происходило и картирование хромосом, вследствие этого удалось не только обнаружить, но и определить расположение некоторых генов, отвечающих за развитие наследственных заболеваний, а также генов-мишеней лекарственных препаратов.

Расшифровка генома человека пока не дает прямого эффекта, поскольку мы получили своеобразную инструкцию по сборке такого сложного организма, как человек, но не научились изготавливать его или хотя бы исправлять погрешности в нем. Тем не менее эра молекулярной медицины уже на пороге, во всем мире идет разработка так называемых генопрепаратов, которые смогут блокировать, удалять или даже замещать патологические гены у живых людей, а не только в оплодотворенной яйцеклетке.

Не следует забывать и о том, что в эукариотических клетках ДНК содержится не только в ядре, но также в митохондриях и пластидах. В отличие от ядерного генома, организация генов митохондрий и пластид имеет много общего с организацией генома прокариот. Несмотря на то что эти органеллы несут менее 1 % наследственной информации клетки и не кодируют даже полного набора белков, необходимых для их собственного функционирования, они способны существенно влиять на некоторые признаки организма. Так, пестролистность у растений хлорофитума, плюща и других наследует незначительное число потомков даже при скрещивании двух пестролистных растений. Это обусловлено тем, что пластиды и митохондрии передаются большей частью с цитоплазмой яйцеклетки, поэтому такая наследственность называется материнской, или цитоплазматической, в отличие от генотипической, которая локализуется в ядре.