Биология – наука, изучающая свойства живых систем. Однако определить, что такое живая система, достаточно сложно. Именно поэтому ученые установили несколько критериев, по которым организм можно отнести к живым. Главными из этих критериев являются обмен веществ или метаболизм, самовоспроизведение и саморегуляция.
Понятие наукаопределяется, как «сфера человеческой деятельности по получению, систематизации объективных знаний о действительности». В соответствии с этим определением объектом науки – 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. Некоторые из них универсальны для всех наук, например такие, как наблюдение, выдвижение и проверка гипотез, построение теорий. Другие научные методы могут быть использованы только определенной наукой: генеалогический, гибридизация, метод культуры тканей и т.д.
Биология тесно связана с другими науками – химией, физикой, экологией, географией. Собственно биология делится на множество частных наук, изучающих различные биологические объекты: биология растений и животных, физиология растений, морфология, генетика, систематика, селекция, микология, гельминтология и множество других наук.
Метод – это путь исследования, который проходит ученый, решая какую-либо научную задачу, проблему.
Методы науки:
1.Универсальные:
Моделирование – метод, при котором создается некий образ объекта, модель, с помощью которой ученые получают необходимые сведения об объекте (Джеймс Уотсон и Френсис Крик создали из пластмассовых элементов модель – двойную спираль ДНК, отвечающую данным рентгенологических и биохимических исследований. Эта модель вполне удовлетворяла требованиям, предъявляемым к 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). Примеры экспериментов: скрещивания животных или растений с целью получения нового сорта или породы, 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.
Сформулировать проблему бывает достаточно сложно, однако всегда, когда есть затруднение, противоречие, появляется проблема.
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:
Генеалогический – применяется при составлении родословных людей, выявлении характера наследования некоторых признаков.
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.
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.
Цитологическийилицитогенетический – исследование строения клетки, ее структур с помощью различных микроскопов.
Биохимический – исследование химических процессов, происходящих в организме.
Каждая частная биологическая наука (ботаника, зоология, анатомия и физиология, цитология, эмбриология, генетика, селекция, экология и другие) пользуется своими более частными методами исследования.
У каждой науки есть объект и предмет исследования.
У биологии объектом исследования является ЖИЗНЬ. Предмет изучения науки всегда несколько уже, ограниченнее, чем объект. Так, например, кого-то из ученых интересует обмен веществ организмов. Тогда объектом изучения будет жизнь, а предметом изучения – обмен веществ. С другой стороны, обмен веществ тоже может быть объектом исследования, но тогда предметом исследования будет одна из его характеристик, например обмен белков, или жиров, или углеводов.
Биологическая система
– целостная система компонентов, выполняющих определенную функцию в живых системах. К биологическим системам относятся сложные системы разного уровня организации: биологические макромолекулы, субклеточные органеллы, клетки, органы, организмы, популяции.
Признаки биологических систем
– критерии, отличающие биологические системы от объектов неживой природы:
1. Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В неживой природе самыми распространенными элементами являются кремний, железо, магний, алюминий, кислород. В живых же организмах 98% элементарного (атомного) состава приходится на долю всего четырех элементов: углерода, кислорода, азота и водорода.
2. Обмен веществ. К обмену веществ с окружающей средой способны все живые организмы. Они поглощают из среды элементы питания и выделяют продукты жизнедеятельности. В неживой природе также существует обмен веществами, однако при небиологическом круговороте они просто переносятся с одного места на другое или меняют свое агрегатное состояние: например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед и др. У живых же организмов обмен веществ имеет качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существенными являются процессы синтеза и распада (ассимиляция и диссимиляция – см. дальше), в результате которых сложные вещества распадаются на более простые и выделяется энергия, необходимая для реакций синтеза новых сложных веществ. Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава всех частей организма и как следствие – постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.
3. Самовоспроизведение(репродукция, размножение) – свойство организмов воспроизводить себе подобных. Процесс самовоспроизведения осуществляется практически на всех уровнях жизни. Существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени, поэтому поддержание жизни связано с самовоспроизведением. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, обусловленное информацией, заложенной в нуклеиновой кислоте – ДНК, которая находится в родительских клетках.
4. Наследственность– способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Наследственность обеспечивается стабильностью ДНК и воспроизведением ее химического строения с высокой точностью. Материальными структурами наследственности, передаваемыми от родителей потомкам, являются хромосомы и гены.
5. Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства; в ее основе лежат изменения материальных структур наследственности. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней. Изменчивость поставляет разнообразный материал для отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.
6. Рост и развитие.Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, изменяется его состав или структура. Развитие живой формы материи представлено индивидуальным развитием (онтогенезом) и историческим развитием (филогенезом). Филогенез всего органического мира называют эволюцией. На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов. В основе этого лежит поэтапная реализация наследственных программ. Индивидуальное развитие часто сопровождается ростом – увеличением линейных размеров и массы всей особи и ее отдельных органов за счет увеличения размеров и количества клеток. Историческое развитие сопровождается образование новых видов и прогрессивным усложнением жизни. В результате эволюции возникло все многообразие живых организмов на Земле.
7. Раздражимость– это специфические избирательные ответные реакции организмов на изменения окружающей среды. Всякое изменение окружающих организм условий представляет собой по отношению к нему раздражение, а его ответная реакция является проявлением раздражимости. Отвечая на воздействия факторов среды, организмы взаимодействуют с ней и приспосабливаются к ней, что помогает им выжить. Реакции многоклеточных животных на раздражители, осуществляемые и контролируемые центральной нервной системой, называются рефлексами. Организмы, не имеющие нервной системы, лишены рефлексов, и их реакции выражаются в изменении характера движения (таксисы) или роста (тропизмы).
8. Дискретность(от лат. discretus – разделенный). Любая биологическая система состоит из отдельных изолированных, то есть обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее, тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Так, любая особь состоит из отдельных клеток с их особыми свойствами, а в клетках также дискретно представлены органоиды и другие внутриклеточные образования. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления системы путем замены износившихся структурных элементов без прекращения функционирования всей системы в целом.
9. Саморегуляция (авторегуляция) – способность живых организмов поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов (гомеостаз). Саморегуляция осуществляется благодаря деятельности нервной, эндокринной и некоторых других регуляторных систем. Сигналом для включения той или иной регуляторной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы.
10. Ритмичность– свойство, присущее как живой, так и неживой природе. Оно обусловлено различными космическими и планетарными причинами: вращением Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, фазами Луны и т.д. Ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов через определенные равные промежутки времени. Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих и многие другие. Ритмичность направлена на согласование функций организма с периодически меняющимися условиями жизни.
Уровни организацииживых систем отражают соподчиненность, иерархичность структурной организации жизни; отличаются друг от друга сложностью организации системы (клетка устроена проще по сравнению с многоклеточным организмом или популяцией).
Уровень жизни – это форма и способ ее существования (вирус существует в виде молекулы ДНК или РНК, заключенной в белковую оболочку – форма существования вируса. Однако свойства живой системы вирус проявляет, только попав в клетку другого организма, где он размножается – способ его существования).
Биология (от греч. биос — жизнь, логос — слово, наука) — это комплекс наук о живой природе.
Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле, классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.
В основе современной биологии лежат 5 фундаментальных принципов:
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.
Ботаника— это биологическая наука, комплексно изучающая растения и растительный покров Земли.
Бактериология— биологическая наука, изучающая строение и жизнедеятельность бактерий, а также их роль в природе.
Бактериология, вирусология и некоторые аспекты микологии часто рассматриваются в составе микробиологии— раздела биологии, науке о микроорганизмах (бактериях, вирусах и микроскопических грибах).
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 генетикиявляются закономерности наследственности и изменчивости. В настоящее время это одна из наиболее динамично развивающихся биологических наук.
Гистология— биологическая наука, раздел морфологии, объектом которой является строение тканей растений и животных.
К сфере органологииотносят 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.
Роль биологии в формировании современной естественнонаучной картины мира
Методы изучения живых объектов
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.
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 даже прочно укоренившиеся теории могут оспариваться, видоизменяться и даже отвергаться, поскольку сами научные знания по своей природе динамичны и постоянно подвергаются критическому переосмыслению.
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.
Световой микроскоп состоит из оптических и механических частей. Оптические части участвуют в построении изображения, а механические служат для удобства пользования оптическими частями. Общее увеличение микроскопа определяется по формуле: увеличение объектива х увеличение окуляра = увеличение микроскопа.
Например, если объектив увеличивает объект в 8 раз, а окуляр — в 7, то общее увеличение микроскопа равно 56.
Основные уровни организации живой природы
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.
Задание EB0221 Рассмотрите таблицу «Биология как наука». Запишите в ответе пропущенный термин, обозначенный в таблице вопросительным знаком
Области исследования
Этология
Закономерности поведения животных в естественных условиях
?
Строение клеток организмов разных царств
Цитоло́гия (от греч. κύτος — «клетка» и λόγος — «учение», «наука») — раздел биологии, изучающий живые клетки, их
Исходя из условия задания, нам необходимо найти методы цитологии.
Гибридизация — процесс образования или получения гибридов, в основе которого лежит объединение генетического материала разных клеток в одной клетке.
Кольцевание — метод мечения, используемый в орнитологии для изучения биологии диких птиц. Кольцевание происходит путём отлова птицы и надевания на её лапку кольца с номером.
Мониторинг — слежение за какими-либо объектами или явлениями, в том числе биологического характера; многоцелевая информационная система, основные задачи которой — наблюдение, оценка и прогноз состояния природной среды под влиянием антропогенного воздействия с целью предупреждения о создающихся критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей, благополучия других живых существ, их сообществ, природных и созданных человеком объектов и т. д.
Задание EB1819t Установите соответствие между природным образованием и веществом биосферы: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца.
ПРИРОДНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ВЕЩЕСТВО БИОСФЕРЫ
Биогенное вещество по Вернадскому – те вещества, которые создают живые организмы.
В происхождении косного вещества живые организмы не участвуют.
В происхождении биокосного вещества принимают участие и живые организмы, и процессы к ним не относящиеся.
Базальт – магматическая вулканическая
Порода — совокупность домашних животных одного вида, искусственно созданная человеком и характеризующаяся определёнными наследственными особенностями, продуктивностью и экстерьером.
Каменный уголь – биогенное вещество, т.к эта порода образуется в результате разложения остатков растений.
Глина образуется в результате выветривания горных пород, живое не принимает участия, косное вещество.
В образовании воды живое тоже участия не принимает, косное вещество.
Почва – результате работы и живого, и неживого, ведь сам по себе плодородный слой образуется только в результате жизнедеятельности различных организмов, например, червей.
Задание EB0219D Рассмотрите таблицу «Методы биологических исследований». Запишите в ответе пропущенный термин, обозначенный в таблице вопросительным знаком.
Частнонаучный метод
Применение метода
Близнецовый
Определение роли факторов среды в формировании фенотипа человека
?
Изучение особенностей фаз митоза на фиксированном препарате
Фазы митоза на фиксированном препарате исследуются при помощи микроскопа. Следовательно, одним из подходящих цитологических методов является микроскопия.
Последним будет вариант 4), т.к это и есть цель селекционера. Теперь посмотрим на другие варианты. Есть получение гомозигот, самоопыление родительских растений, подбор растений и скрещивание организмов чистых линий.
Логично, что вначале следует подобрать подходящие растения. Затем обратим внимание на «чистые линии», это гомозиготы, образующиеся при близкородственном скрещивании, самоопыление вполне подойдет. Значит, вначале берем самоопыление, получаем гомозиготы = чистые линии. Так как одна особь – доминантная гомозигота, а вторая – рецессивная, то при скрещивании получаются гетерозиготы. Все сходится.
Задание EB0220D Рассмотрите таблицу «Биология как наука». Запишите в ответе пропущенный термин, обозначенный в таблице вопросительным знаком.
Разделы биологии
Объект изучения / Область исследования
Генетика
Закономерности наследственности
?
Использование биологических процессов и систем в сельском хозяйстве, медицине и промышленности
Биотехнология — раздел биологии, в рамках которого изучаются возможности использования живых организмов и биологических процессов для получения разных продуктов.
Биохимический метод — анализ состава веществ, содержащихся в организме, и биохимических реакций, протекающих в его клетках. Этим методом можно устанавливать функцию гена, изучать нарушения обмена веществ.
Этот метод подойдет и для определения концентрации фенилаланина, который является аминокислотой.
Задание EB12588 Установите соответствие между природным образованием и веществом биосферы согласно классификации В. И. Вернадского.
ПРИРОДНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ВЕЩЕСТВО БИОСФЕРЫ
Е) двустворчатые моллюски
Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:
А) морская соль — Не образована деятельностью живых организмов. Косное вещество.)
Б) морской ил — вязкий осадок из минеральных или органических веществ на дне водоёма. Вещества становятся илом в результате деятельности живых организмов. Биокосное вещество.
B) глина — составители ЕГЭ сами запутались, но выбрать нужно биокосное вещество. Хотя у Вернадского она указана как косное вещество.
Какие из утверждений относятся к живому веществу биосферы?
Живое вещество — вся совокупность живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности. Термин введён В.И. Вернадским.
Биокосное вещество — по В. И. Вернадскому (1965), вещество, создаваемое одновременно живыми организмами и косными процессами и являющееся закономерной структурой, состоящей из живого и косного вещества (вода, почва, кора выветривания).
Косное вещество — продукты, образующиеся без участия живых организмов.
Живое вещество не распространено по всей атмосфере, но распространено по всей гидросфере.
Одной из функций живого вещества является окислительно-восстановительная функция. — верно.
Живое вещество не распространено равномерно, вспомните экстремальные места обитания. Там есть жизнь, но ее явно меньше, чем в том же лесу.
В ходе эволюции функции живого вещества не изменялись. — не верно, живое вещество изменяется во время эволюции.
Живое вещество входит в состав биокосного вещества. — верно. Взять ту же улитку. Она умирает, от нее биокосным веществом становится ее раковина, но не ткани и органы.
Биогеоценоз – это комплексы взаимосвязанных видов (популяций разных видов — БИОТ), обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существованиями (БИОТОП).
Врач явно занят тем, что измеряет пульс, картина даже так и называется. Очевидно, что используется такой научный метод как измерение.
Почему же это не эксперимент и не абстрагирование? Абстрагирование — метод научного познания в форме операции мысленного отвлечения от ряда свойств, связей и отношений исследуемого объекта, которые несущественны для решения поставленных задач. Врач не проводит никаких манипуляций с девушкой, а просто считает пульс, смотрит на часы, на чем он и сосредоточен. Абстрагироваться здесь не от чего, а эксперимента попросту не было. Вот если бы там стояло, как минимум, два врача, замеряющих пульс, но притом одна девушка сидела в кресле, а другая, к примеру, была напугана, то это был бы эксперимент.
Таким образом, приходим к выводу, что подходят измерение и наблюдение.
Какие методы научного исследования используются для
А) выделения органоидов одного вида и
Б) локализации определённых химических веществ в клетке?
Разберемся с терминами:
Какие-то из этих методов должны найти что-то и выделить определённую часть из клетки. Сразу же отсеиваем клонирование.
Есть вариант с цитогенетическим методом. Работает явно с клеткой, однако метод генетический, а у нас стоят вопросы про органоиды и химические вещества. Не подходит.
Остаются радиоизотопный метод и центрифугирование.
Для изучения локализации отдельных химических веществ в клетке широко используются методы цито- и гистохимии (например, радиоизотопный). Они основаны на избирательном действии реактивов и красителей на определенные химические вещества, содержащиеся в той или иной клеточной структуре.
Избирательно выделять органоиды можно только при центрифугировании: разрушенные клетки помещают в центрифугу — прибор, в котором пробирки с клеточным материалом вращаются на очень высокой скорости. Разные клеточные структуры имеют различные массу, размеры и плотность, поэтому под действием центробежной силы в растворах определенных веществ (например, сахарозы или хлорида цезия) они оседают с разной скоростью и останавливаются в определенном слое жидкости, что дает возможность отделить одни частицы от других. Таким методом отделяют митохондрии, рибосомы и другие органоиды клетки.