Лекция № 1. Введение
И. Основные свойства организмов.
И. Краткий очерк истории развития биологии.
ИИИ. Методы биологических исследований.
ИV. Уровни организации живой материи.
V. Значение биологии в работе фармацевта.
В истории развития этого животного
наш ученый А. А. Ковалевский сделал
очень важное открытие, доказал, что развитие ланцетника очень сходно
с развитием оболочников. Таким образом
удалось сомкнуть два звена огромной цепи животного царства.
Брэм. А. Э. Жизнь животных /
Москва - «Терра» в 1992
Том III, с. 160
И. Основные свойства организмов.
Любая структурно-функциональная единица всего живого на Земле должна обладать способностью к размножению, а значит к синтезу необходимых веществ и к выработке энергии. Согласно синтез необходимых веществ происходит в физиологических процессах пластического обмена веществ, а выработка энергии в процессах энергетического обмена веществ.
ИИ. Краткий очерк истории развития биологии.
Термины и понятия: натурфилософия, систематика, клеточная теория. Первичные представления о живой природе и первые попытки научных обобщений. Первые попытки систематизировать знания о живой природе относятся древнегреческим философам. Античные мыслители высказывали мнения о сущности живого, происхождение животных и человека. Философы-натуралисты Древней Греции (V в. До н. Д.) Считали, что живые организмы возникли из неживой материи вследствие ее постепенных изменений. Причем уродливые, неполноценные существа со временем вымерли, а гармоничные выжили и начали размножаться.
Объяснить происхождение вселенной и органического мира на Земле в результате природных явлений пытались еще древние греческие и римские философы. Это был первый практический предшествующий научном период развития биологии. Античные философы VI - V веков до н. е. считали основой всего что есть на Земле воду, Айперон или безграничную материю, воздух, нус - легкую из всех вещество, огонь, атом.
Древние греки.
Эмпедокл весь вид природы объяснял как разнообразное соотношение четырех оснований: огню, воздуху, воде и земле. По его мнению живет образовывались из неживого по естественным причинам. Сложные «большие» организмы создавались из большого количества маленьких. Жизнеспособные продолжали жить и размножаться, другие умирали.
Развитие древнегреческой медицины связано с именем Гиппократа.
Гиппократ.
В работах этого ученого был наиболее полный сбор знаний по анатомии, физиологии, эмбриологии. Физиология (от греч. Physis - природа и ... логия), наука, изучающая процессы жизнедеятельности (функции) животных и растительных организмов, их систем, органов, тканей и клеток. Анатомия (от греч. Anatome - вскрытие, расчленение), раздел морфологии, изучающий форму и строение органов, систем организма в целом. ЭМБРИОЛОГИЯ (от эмбрион и ... логия), в узком смысле - наука о зародышевом развитии, - в широком - наука об индивидуальном развитии организмов (онтогенезе). Первые исследования строения тела человека провел выдающийся врач, реформатор античной медицины, автор трудов по анатомии «О железы», «О сердце», «О природе костей» Гиппократ 460-377 гг. До н. е.). Он достаточно хорошо знал строение сердца, различал артерии и вены, определял черепно-мозговые и спинномозговые нервы. Гиппократ вполне справедливо считал, что процесс дыхания происходит с помощью легких, но ошибался, думая, что этот процесс служит для охлаждения сердца. Он выразил гениальную в то время мысль о связи мозга с психической деятельностью человека. (Вспомните типы темперамента и четыре основные «телесные жидкости», с которыми их связывал Гиппократ.)
Начало собственно биологической науки заложил в своих трудах древнегреческий ученый и философ Аристотель (рис. 13) (384-322 гг. До н. Д.), Которого считают основателем зоологии. Он написал несколько специальных трактатов, посвященных строению, классификации и возникновению животных, самым известным из которых является «История животных». В этой работе Аристотель описал строение тела животного, систему органов человека, совершил сравнения строения тела человека и животного, рассмотрел способы размножения и особенности развития животных.
Аристотель.
Следующим шагом была классификация этих образованных существ. Большим ученым, который создал первую классификацию животных был также Аристотель (384 - 322 до н. Э.). Стал основателем зоологии. Зоология (от зоо ... и ... логия - наука), наука о животных, часть биологии, изучающая многообразие животного мира, строение и жизнедеятельность животных, распространение, связь их со средой, закономерности индивидуального и исторического развития. По объектам исследования 3ООЛОГИЮ подразделяют на протозоологию, 3ООЛОГИЮ беспозвоночных и 3ООЛОГИЮ позвоночных, а также более мелких - например на гельминтология (науку о гельминтов), энтомологию (науку о насекомых), ихтиологию (науку о земноводневих), герпетологию (науку о змеях ), орнитологию (науку о птицах) и др. Первую классификацию растений составил ученик Аристотеля Теофраст. Стал основателем ботаники.
Теофраст.
Древние римляне. Тита Лукреций сочинил поэму «О природе вещей»Гай Плиний Старший подготовил 37 томную «Естественную историю». Опыты в медицине относятся Клавдию Галену, который впервые открыл «центробежные» нервные волокна.
Его работой «Канон врачебной науки» пользовались как пособием для врачей Европы в середине 17 века.
Эпоха возрождения XV - XVI века. С XVI в. началось бурное развитие естествознания, философии, искусства. Этот период называется эпохой Возрождения. Интерес к естествознанию был одним из факторов зарождения промышленности, развитие которой было невозможно без научной революции. (Вспомните из уроков истории, какие именно научные открытия способствовали развитию капиталистических отношений на рубеже XV-XVI вв.)
Средневековая биология, как и античная, изначально не отделялась от философии и потому называлась натурфилософией (от лат. Натура - природа). Первые трактаты о сущности и явления природы, посвященные вопросам естествознания, были достаточно абстрактными. Однако постепенно начинают формироваться новые подходы к познанию живой природы и получают развитие научные методы исследований - наблюдение и эксперимент. Именно на основании экспериментальных исследований биология сформировалась как наука. Первостепенную роль в становлении биологии сыграли экспериментальные исследования по анатомии и физиологии человека, которых так нуждалась медицина. Не довольствуясь лекциями своих учителей, которые преподавали в Галеном,
Андреас Везалий (1514-1564) под угрозой смертной казни тайком исследовал человеческие тела
Везалий исправил около 200 исторических ошибок Галена, в частности опроверг утверждение о том, что у мужчин на одно ребро меньше, чем у женщин, и не нашел косточку, которая не горит в огне и имеет таинственную силу, которая позволит человеку воскреснуть в день Страшного суда и предстать перед Богом, как было описано в учебниках по анатомии того времени. Другой выдающийся анатом, физиолог и эмбриолог Гарвей (рис. 18) (1578-1657) экспериментально доказал, что у человека происходит непрерывный замкнутый кровообращение, установил, что сердце имеет мышечную строение и является органом кровообращения. Эти исследования имели огромное значение: они доказали, что строение тела и процессы, которые происходят в организме человека и животного, подобные, а
поэтому понимание их природы не требует участия души или божественного начала.
Гарвей.
Гениальный художник, мыслитель, техник Леонардо да Винчи (1452-1519) на протяжении десятков лет анатомировал человеческие тела и сделал много точных зарисовок.
Леонардо да Винчи
К сожалению, его анатомические трактаты стали широко только через полтора века после смерти автора и поэтому не имели влияния на развитие этой науки. Важный научное направление экспериментальной биологии конца эпохи Средневековья сформировался после открытия мелких существ, которых не способно видеть глаза человека, а также клеточного строения организмов. Изучение микромира стало возможным благодаря развитию оптики, изобретению линз и микроскопа. Значительный вклад в развитие микроскопических исследований сделал англичанин Роберт Гук (рис. 19) (1635-1703), который описал микроскопическое строение тканей растений и таких довольно мелких объектов, как глаз мухи, крыло пчелы, личинка комара. Обнаружил их клеточное строение и голландец Антони ван Левенгук (рис. 20) (1632-1723), который с помощью изготовленных собственноручно линз с более 250-кратным увеличением первым увидел сперматозоиды, бактерии и простейших, назвав их «животными». (Вспомните разрешение современного светового и электронного микроскопа.) Сегодня микробиология, основателем которой считают Левенгука, переживает свой расцвет.
Леонардо да Винчи (1452-1519) сделал большой шаг в совершенствовании научных знаний по анатомии. Уильям Гарвей описал работу сердца и циркуляцию крови в организме (1628) чем дал толчок к образованию новой отдельной науки физиологии. Существенный сдвиг в развитии эмбриологии наступило в 17 веке с появлением работы - Уильяма Гарвея - "Исследование о зарождении животных" (1651). Большое значение для развития эмбриологии имела работа - Фридриха Каспара Вольфа «Теория зарождения» (1759). А Левенгук, после разработки им устройства, назвали микроскоп смог исследовать микроорганизмы и клетки животных и растений
Ведущие ученые XVI и - XVI и веках.
Ламарк (1744 - 1829). Разработал новый принцип классификации живых существ. Термин «биология» предложил именно Ламарк (1744 - 1829).
БИОЛОГИЯ - (от греческого биос - жизнь, логос - наука) - это совокупность наук о живых существа, их строение, процессы жизнедеятельности. Лавуазье - формирование представлений о Химический суть процессов дыхания. Ж Кювье - один из основателей сравнительной анатомии. В. Гете предложил теорию метаморфоз (изменений) растений вследствие вариабельности одного растения под влиянием различных факторов. Рене Декарт - открытие рефлекторного принципа деятельности организма. Л. Гальвани - открытие биоелектричних явлений. Ладзаро Спалланцани - доказал невозможность самозарождения живых организме.
Научные работы Грегора Менделя (1822 - 1884) играют до сих пор важную роль в современной медицине и фармации. Ему принадлежит право основателя науки, которая называется ГЕНЕТИКА. ГЕНЕТИКА (от греч. Genesis - происхождение), наука о наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими.
Для изучения и классификации живых существ предложена двойная латинская классификация. Впервые двойную латинскую классификацию (род и вид) ввел Карл Линней (1707 - 1778)МИКРОБИОЛОГИЯ (от микро ... и биология), наука о микроорганизмах. Он установил, что определенные ХИМИЧЕСКИЕ процессы, прежде всего различного рода брожения, вызываемых специфическими микроорганизмами. Пастер отстаивал теорию микробного происхождения инфекционных болезней, опроверг гипотезу самопроизвольного зарождения микробов, открыл анаэробиозу. Введение Робертом Кохом и его школой плотных питательных сред и строгих требований к чистой культуры, установление критериев для определения связи заболевания с определенным микроорганизмом (т.н. триада Коха - показать, что данный микроб присутствует при данном заболевании, получить чистую культуру микроба, с помощью которой экспериментально вызвать то же заболевания) позволило в течение короткого времени открыть возбудителей многих болезней и положило начало медицинской и санитарной микробиологии.
Николай Евгеньевич Введенский - труды по нейрофизиологии, развил представления о роли частоты импульсации в нервной деятельности). Сеченов Иван Михайлович - анализировал газовый состав крови.
Геккель был предложен термин "ЭКОЛОГИЯ". в 1866 г.. ЭКОЛОГИЯ (от греч. dikos - жилище, местопребывание и ... логия - наука), биологическая наука, изучающая организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы. Для развития экологии в России большое значение имели работы
- Карла Францевича Рулье (1852) и Николая Алексеевича Северцова (1855). В это же время формируется представление о сообществах (биоценозах) как о целостные системы взаимосвязанных организмов.
Ведущие отечественные ученые на рубеже XИХ - ХХ веков.
Павлов (1849 - 1936) - поставил на научное основание физиологию пищеварения, открыл условный рефлекс и создал учение о высшей нервной деятельности.
Работы Введенского Николая Евгеньевича (1852-1922), Ухтомского Алексея Алексеевича (1875 - 1942), Павлов (1849 - 1936), Сеченова Ивана стали основой для создания теории нервизма, которая подчеркивала что организм - это не просто сумма клеток и различных органов, а единое целое, функционально связано между собой, а также с окружающей средой нервной и кровеносной системами и поэтому любой локальный (местный) патологиний процесс влияет на весь организм и может привести к нарушению функции жизненно важных органов. Этот тезис стал основой для формирования принципа лечения, который подчеркивает, что «Лечить надо не болезнь, а больного». Российские физиологи положили начало изучению физиологических основ психики.
Иванов Михайло Федорович (1871 - 1935) селекционер и генетик, который долгое время работал в селекционном центре «Аскания Нова».
Илья Ильич Мечников (1845 - 1916) - микробиолог, получивший Нобелевскую премию за открытие фагоцитоза - механизма борьбы макроорганизма с возбудителями болезней.
Ведущие отечественные ученые ХХ века. Андрей Сергеевич Фаминцын - фундаментальные исследования обмена веществ и энергии у растений открытия роста растений при искусственном освещении. Тимирязев Климент Аркадийович - исследование роли хлорофилла в фотосинтезе, обоснование роли зеленых растений. Познание физиологических функций осуществляется изучением простых уровней организации с последующей интеграцией данных при рассмотрении физиологических. систем. Наряду с классическими методами исследований (полевой и вегетативный и др.) Физиология растений использует био-физико-ХИМИЧЕСКИЕ методы исследований, методы культуры клеток и тканей (лабораторные эксперименты), на которых основана клеточная биотехнология и др. Основные разделы Физиологии растений - фотосинтез и транспорт веществ, дыхание и обмен вторичных соединений, грунтовое (корневое) питание, водный обмен, рост и развитие, устойчивость, физиология иммунитета растений.
Представление о комплексах организмов, взаимосвязанных между собой и с окружающим неживым средой, нашло свое отражение и в появлении такого термина, как "биогеоценоз", который был предложен Владимиром Николаевичем Мукачево (1940). БИОГЕОЦЕНОЗ (от био ..., греч. Gk - Земля и ценоз), однородная участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и неживых (приземный слой атмосферы, солнечная энергия грунт и др.) Компонентов, объединенных обменом вещества и энергии в единый природный комплекс.
Биотехнология (от био ..., греч. Techne - искусство, мастерство и ... логия - наука), использование живых организмов и биологических. процессов производстве. Термин "биотехнология" получил широкое распространение с середины 70-х гг. 20 века., Хотя такие отрасли науки, как хлебопечение, виноделие, пивоварение, сыроварения основанные на применении микроорганизмов, известны с незапамятных времен. Современная биотехнология характеризуется использованием биологических методов для борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод и т. Л.), Для защиты растений от вредителей и болезней, производства ценных биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов, гормональных препаратов и др.) Для народного хозяйства. На основе микробиологического синтеза разработаны промышленные методы получения белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок. Развитие генетической и клеточной инженерии позволяет целенаправленно получать ранее недоступные препараты (например. Инсулин, интерферон, гормон роста человека), создавать новый полезные виды и штаммы микроорганизмов, сорта растений, породы животных и т.п. К достижениям новейшей биотехнологии можно отнести также применение иммобилизованных ферментов, получения синтетических вакцин, использования клеточной технологии в племенном деле на животноводческих комплексах и др. Широкое распространение получили гибридомы и продуцируемые ими моноклональные (одной специфичности) антитела, используемые как уникальные реагенты диагностических и лечебных препаратов. Следует отметить очень важную науку для фармации биохимии - науку изучающая химический состав организмов, строение, свойства, локализацию и роль обнаруженных в них соединений, пути их возникновения и преобразования.
ИИИ. Методы биологических исследований.
Основным найдавнишним методом исследований в зоологов есть сравнительно - описательный метод.
Во 2-й половине 20 века в связи с резкими неблагоприятными последствиями воздействия человека на биосферу (т.н. "экологическим кризисом») все большее распространение в экологии получают количественные методы исследования, чаще используются эксперименты (не только лабораторные, но и в природе) и математические. модели. необходимостью проведения широкомасштабных природоохранных мероприятий резко возрастает практическое значение экологии. Экологический подход становится необходимым еще при проектировании производств, в том числе и фармацевтических.
Метод мониторинга экосистем и других моделей.
Моделирование - метод биологических процессов с помощью прощенных биологических моделей.
Статистический метод анализа исследований стал популярен после появления вычислительной техники.
ИV. Уровни организации живой материи. Молекулярный уровень. Это самый низкий уровень организации живого.
По мнению одних ученых, процессы, происходящие на этом уровне, еще не имеют биологической специфики, а представляют собой физико-химические превращения молекул. Другие утверждают, что именно с него начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ, превращение энергии, передача наследственной информации, мутации и тому подобное.
Молекулярный уровень является своеобразной границей между неживой и живой природой. Структурными элементами этого уровня является макромолекулы биологически важных органических веществ (например белков, нуклеиновых кислот и других), поскольку они входят в состав любой биосистемы. Процессы, происходящие на молекулярном уровне, является материальной основой признаков и свойств живого, как: обмен веществ, передача наследственной информации и др. Изучением молекулярного уровня занимаются молекулярная биология, биохимия, энзимология, биохимия липидов, физическая химия биополимеров, биофизика, генетика. Клеточный уровень, элементами которого являются клетки - самые простые биологические системы. Это уровень жизнедеятельности организма, из которого, собственно, и начинаются биологические процессы, а не просто химические реакции. В истории нашей планеты был такой период (первая половина архейской эры - более 3,5 млрд. Лет назад), когда все живые организмы находились на этом уровне организации. Одноклеточные организмы образовывали все виды, биоценозы и биосферу в целом. В процессе эволюции органического мира клетка оказалась единственной элементарной системой, в которой возможен проявление всех закономерностей, характеризующих жизнь.
Клеточный уровень. Функциональная специализация клеток приводит разнообразие их форм. Мышечные клетки - удлиненные, покровные - многоугольные, лейкоциты - шаровидные, нервные клетки, благодаря большому количеству отростков, получили звездчатой формы. (Приведите собственные примеры. Проиллюстрируйте зависимость формы клетки от ее функции.) Основные процессы, происходящие на клеточном уровне, будут объектами вашего исследования этого года - обмен веществ и энергии, самовоспроизведение, саморегуляция, самообновления. Клеточный уровень изучают цитология, цитохимия, цитогенетика, микробиология.
Организменный уровень, структурной единицей которого является отдельные особи. Процессы, происходящие на этом уровне, связанные с ростом, развитием и размножением. (Обратите внимание, для одноклеточных организмов клеточный и организменный уровне совпадают.) На организменном уровне наблюдается наибольшее разнообразие форм жизни, которая не является следствием разнообразия дискретных единиц низшего звена, а обусловлена их осложненными пространственными комбинациями, которые приводят к возникновению качественно новых особенностей. Вне особями в природе жизни не существует. На этом уровне происходят процессы онтогенеза, поэтому он имеет и другое название - онтогенетический.
Элементарным компонентом любого организма является клетка. В многоклеточных организмов клетки образуют ткани и органы, приспособленные для выполнения различных функций. Организменный уровень изучают морфология (анатомия, эмбриология), физиология, палеонтология, генетика.
Популяционно-видовой уровень, элементами которого являются популяция (от лат. Популюс - народ) - совокупность особей одного вида, живущих на общей территории (рис. 68, 69, 70, 71) и вид - совокупность особей, которые свободно скрещиваются и дают плодовитое потомство (рис. 72, 73). Процессы, происходящие на нем, связанные с размножением и первичными эволюционными преобразованиями организмов.
Популяционно-видовой уровень изучается популяционной генетикой, биогеографией, систематикой, таксономией, экологией.
Сейчас на Земле насчитывается более миллиона видов животных и около полумиллиона видов растений (вспомните количество видов грибов и бактерий). Каждый вид состоит из отдельных уникальных особей. Принадлежность особи к определенному виду определяется по морфологическим, физиологическим, экологическими и другими критериями. Важнейшим признаком вида является генетическая (репродуктивная) изоляция, которая заключается в невозможности скрещивания особей данного вида с представителями других видов.
Со времен К. Линнея вид является основной единицей систематики. Особое значение вида среди других систематических групп (таксонов) обусловлено тем, что в его группировке отдельные особи существуют реально. В составе вида в природных условиях особь рождается, достигает половой зрелости и выполняет свою главную биологическую функцию - репродукцию, обеспечивая продолжение рода. В отличие от вида, таксоны надвидового ранга (род, ряд, семья, класс и т.д.) не является «ареной» жизни организма. Выделение их в естественных системах органического мира отражает результаты предыдущих этапов исторического развития живой природы. Вид - категория историческая, качественный этап эволюции. Каждый вид возник с другой и существует, пока не изменятся условия. В новых условиях он или погибнет, или, изменяясь, даст начало другим видам. Вид, как правило, охватывает многие популяции. Изоляция между ними почти никогда не бывает абсолютной. Между отдельными популяциями происходит обмен особями благодаря миграциям. Степень изолированности зависит от способности особей к расселению, от наличия географических препятствий в пределах ареала вида, характера среды обитания. Так, например, растения, которые растут под деревьями, в лесостепной зоне будут представлены отдельными изолированными популяциями, а в лесной этот вид будет иметь сплошное распространение и границы между популяциями будет трудно определить.
Изолированность популяции зависит и от численности вида. Так, быстрый рост численности грызунов приводит к тому, что популяций могут исчезать.
Каждая популяция имеет определенный возрастной и половой состав; численность особей в ареале может колебаться от нескольких сотен до нескольких тысяч. Чем меньше популяция, тем больше угроза ее вымирания. (Приведите примеры популяций отдельных видов растений и животных. Какой их количественный состав?) За половым составом популяция, как правило, характеризуется одинаковым соотношением самок и самцов. (Вспомните исключения из этого правила, объясните их причины).
Следует отметить, что не только виды растений и животных состоят из популяций. В генетике человека популяцией называют группу лиц, которые занимают определенную территорию и свободно вступают в брак. Границы, разделяющие людей от брака, могут быть не только географические, но и социальные, религиозные. Большие популяции людей, как правило, состоят не из одной, а из нескольких антропологических групп, которые отличаются по происхождению, и расселены на обширной территории. Для современных человеческих популяций свойственно роста и разрушения брачных изолятов, которые существовали раньше, например географических.
Биогеоценотический (экосистемный) уровень, его элементарной единицей является экосистемы - биогеоценозы (от греч. Био - жизнь, гео - земля и ценос - общий) - стали группировки популяций бактерий, растений, грибов, животных, которые связаны между собой цепями питания, а также средой их обитания. Биогеоценозы образуются в процессе исторического развития, для них характерна устойчивость. Этот уровень организации изучает экология, в частности водные экосистемы - гидробиология (от греч. Гидро - вода и биология). Главным объектом этих исследований является потоки вещества и энергии.
Биосферный (от греч. Биос - жизнь, сфера - слой) - самый высокий уровень биологической организации. Характерный для этого уровня процесс - круговорот веществ и энергии в биосфере, который обеспечивает целостность жизни на Земле.
Биосфера - это совокупность всех живых организмов вместе со средой обитания. Деятельность живых организмов объединяет все оболочки Земли в единую целостную систему, где происходит обмен веществ и энергии. Жизнь в биосфере поддерживается с помощью солнечной энергии, используемой зеленые растения в процессе фотосинтеза. Энергия света превращается при этом в химическую.
По последним данным, верхняя граница биосферы ограничивается озоновым слоем и достигает 22 км над уровнем моря. В океанах нижняя граница жизни достигает глубины 10-11 км. В твердую земную оболочку (литосферу), где предел жизни ограничивается высокой температурой, организмы проникают на глубину 4-7 км. (Приведите примеры живых организмов, которые существуют на грани биосферы.)
