что такое биология и виды биологии
Что такое биология?
Биология (от греч. «биос» — «жизнь» и «логос» — «наука») — это совокупность наук о живой природе. Предметом изучения биологии является все многообразие проявления жизни: строение и функции живых существ и природных сообществ, их происхождение, развитие, связи между собой и с неживой природой. Для изучения живых организмов в биологии используются разнообразные методы: наблюдение (без вмешательства в жизнедеятельность организма), сравнение (для выявления закономерностей), эксперимент (для подтверждения теорий), моделирование (искусственное воспроизведение биологических процессов).
Изучение природы
Знания о живой природе человек начал накапливать еще в глубокой древности, занимаясь охотой, скотоводством, земледелием, но растения и животные на протяжении многих веков рассматривались в основном с точки зрения их пользы или вреда для человека, изучение их шло рука об руку с искусством врачевания.
Накопление знаний
В 1628 г. английский врач У. Гарвей опубликовал трактат, в котором описал строение и принципы функционирования кровеносной системы человека, положив начало развитию физиологии. В XVII в. был изобретен двухлинзовый микроскоп, и перед естествоиспытателями открылся мир неведомых ранее мельчайших существ, началось накопление знаний о строении тканей человека, животных и растений. В XVIII в. появились работы по систематике растений и животных, среди которых выделяется «Система природы» К. Линнея (1735).
Рождение науки
Вплоть до XIX в. науки о живом носили описательный характер, а разные их разделы считались частью естественной истории наравне с минералогией, геологией, географией. Сам термин «биология» возник на заре XIX в. Его предложили независимо друг от друга двое ученых: немецкий ботаник Г. Р. Тревиранус и француз Ж. Б. Ламарк. Но любая наука становится таковой только тогда, когда появляются возможности теоретических обобщений, охватывающих весь спектр накопленных в данной области знаний.
Биология ХХ в. большое внимание уделяла изучению явлений жизни на молекулярном уровне (молекулярно-генетическое направление), и в планетарном масштабе (биосферно-экологическое направление). Возникли пограничные биологические дисциплины: биохимия, биофизика, астробиология и др. В наше время наиболее актуальными темами для исследований стали генная инженерия, расшифровка генома человека, медицинская генетика, клонирование клеток и целых организмов, биотехнологии. Без преувеличения можно сказать, что от успехов биологии во многом зависит дальнейшая судьба человечества.
Традиционно большинство биологических наук классифицируются по типам организмов, которые изучаются этими науками, или по методам применяемых исследований. Например:
Биология
Как особая наука биология выделилась из естественных наук в XIX веке, когда учёные обнаружили, что живые организмы обладают некоторыми общими для всех характеристиками. Термин «биология» был введён независимо несколькими авторами: Фридрихом Бурдахом в 1800 году, в 1802 году Готфридом Рейнхольдом Тревиранусом [1] и Жаном Батистом Ламарком.
В биологии выделяют следующие уровни организации:
Большинство биологических наук является дисциплинами с более узкой специализацией. Традиционно они группируются по типам исследуемых организмов: ботаника изучает растения, зоология — животных, микробиология — одноклеточные микроорганизмы. Области внутри биологии далее делятся либо по масштабам исследования, либо по применяемым методам: биохимия изучает химические 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.
Передачу наследственной информации изучает генетика. Развитие организма в онтогенезе изучается биологией развития. Зарождение и историческое развитие живой природы — палеобиология и эволюционная биология.
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.
Содержание
Биологи
Биологические общества
Биологические организации
Традиционно научными исследованиями в области биологии занимаются университеты, хотя не всегда соответствующие факультеты называются биологическими. Например, в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова кроме биологического факультета имеются также факультет биоинженерии и биоинформатики, факультет фундаментальной медицины и НИИ физико-химической биологии. Кроме университетов научные исследования проводят государственные и частные институты, которые в России преимущественно относятся к системе Российской академии наук (см. список институтов), Российской академии сельскохозяйственных наук или Российской академии медицинских наук.
Биологи
Биологический метод
Биологические науки используют методы наблюдения, моделирования (в т.ч. компьютерного), описания, сравнения, экспериментов (опыта) и исторического сравнения.
История биологии
Биологическая картина мира
Существует пять принципов, объединяющих все биологические дисциплины в единую науку о живой материи [2] :
Клеточная теория
Эволюция
Эволюционная история видов, описывающая их изменения и генеалогические отношения между собой, называется филогенез. Информация о филогенезе накапливается из разных источников, в частности, путём сравнения последовательностей ДНК или ископаемых останков и следов древних организмов. До XIX века считалось, что в определённых условиях жизнь может самозарождаться. Этой концепции противостояли последователи принципа, сформулированного Уильямом Гарвеем: «всё из яйца» («Omne vivum ex ovo», лат.), основополагающего в современной биологии. В частности, это означает, что существует непрерывная линия жизни, соединяющая момент первоначального её возникновения с настоящим временем. Любая группа организмов имеет общее происхождение, если у неё имеется общий предок. Все живые существа на Земле, как ныне живущие, так и вымершие, происходят от общего предка или общей совокупности генов. Общий предок всех живых существ появился на Земле около 3,5 млрд. лет назад. Главным доказательством теории общего предка считается универсальность генетического кода (см. происхождение жизни).
Теория гена
Совокупность генов организма или клетки называется генотипом. Гены хранятся в одной или нескольких хромосомах. Хромосома — длинная цепочка ДНК, на которой может быть множество генов. Если ген активен, то последовательность его ДНК копируется в последовательности РНК посредством транскрипции. Затем рибосома может использовать РНК, чтобы синтезировать последовательность белка, соответствующую коду РНК, в процессе, именуемом трансляция. Белки могут выполнять каталитическую (ферментативную) функцию, транспортную, рецепторную, защитную, структурную, двигательную функции.
Гомеостаз
Гомеостаз — способность открытых систем регулировать свою внутреннюю среду так, чтобы поддерживать её постоянство посредством множества корректирующих воздействий, направляемых регуляторными механизмами. Все живые существа, как многоклеточные, так и одноклеточные, способны поддерживать гомеостаз. На клеточном уровне, например, поддерживается постоянная кислотность внутренней среды (pH). На уровне организма у теплокровных животных поддерживается постоянная температура тела. В ассоциации с термином экосистема под гомеостазом понимают, в частности, поддержание растениями постоянной концентрации атмосферной двуокиси углерода на Земле.
Энергия
Выживание любого организма зависит от постоянного притока энергии. Энергия черпается из веществ, которые служат пищей, и посредством специальных химических реакций используется для построения и поддержания структуры и функций клеток. В этом процессе молекулы пищи используются как для извлечения энергии, так и для синтеза биологических молекул собственного организма.
Первичным источником энергии для 99 % земных существ является световая энергия, главным образом солнечная (для 1 % — хемосинтез). Световая энергия посредством фотосинтеза превращается растениями в химическую (органические молекулы) в присутствии воды и некоторых минералов. Часть полученной энергии затрачивается на наращивание биомассы и поддержание жизни, другая часть теряется в виде тепла и отходов жизнедеятельности. Общие механизмы превращения химической энергии в полезную для поддержания жизни называются дыхание и метаболизм.
Уровни организации жизни
Шесть основных структурных уровней жизни:
Биологические дисциплины
Биологическая литература
Первоисточниками информации по биологии являются научные журналы, списки которых предоставляет ряд учреждений, как российских, так и зарубежных:
Данные первоисточников обобщают авторы обзорных публикаций, которые могут представлять собой как журнальные статьи, так и монографии. На следующем уровне обобщения стоят учебники и справочные пособия.
Разделы биологии
Биология — обширная наука. Возможно, не найдется другой науки с таким длинным перечнем разделов и подразделов. Ученые-биологи могут изучать химические процессы в клетке, потоки питательных веществ в целом океане или в джунглях, голосовые сигналы сусликов или потенциальных обитателей спутника Сатурна. Рассмотрим лишь несколько крупных разделов.
Микробиология
Большинство живых существ слишком малы для наблюдения невооруженным глазом, и микробиологи исследуют их под микроскопом. Одноклеточные организмы имеют внутри все необходимое для жизни и могут выживать в удивительной среде, например, внутри глубинных пород или в кипящих вулканических бассейнах. Считается, что именно в таких негостеприимных местах зародилась жизнь.
Этология
Этолог — это специалист по поведению животных. Этология предполагает наблюдение за животными в их природной среде на протяжении длительного времени, изучение их привычек и занятий. Здесь требуется также точный статистический анализ разновидностей поведения в контролируемых условиях. Это единственный способ доказать, что естественное поведение выполняет ту или иную функцию.
Таксономия
Этот раздел биологии изучает взаимосвязи всего живого на Земле. Это огромная работа, ведь около 80 % видов еще только предстоит описать и поименовать. Таксономия начиналась как изучение организмов, которые выглядели и жили похожим образом. Современные таксономисты также учитывают сходства в развитии от эмбрионов до взрослых особей и сравнивают гены для установления связи.
Экология
Изучение окружающей среды и организмов, которые в ней обитают, называется экологией. Экологи выясняют, какие отношения характерны для сообществ в дикой природе, зачастую чтобы защитить их от внешнего воздействия, в том числе человеческой деятельности. Экология предполагает получение образцов в естественной среде, что необходимо для создания карты распространенности видов на местности и плотности популяций.
Физиология
Слово «физиология» часто связывают с человеческим телом, но эта наука изучает также механизмы работы «тел» растений и животных, их естественные функции. Сюда входит исследование свойств живых тканей, таких как кости и мышцы, а также их поведения. Кроме того, физиологи изучают периодические изменения в организме, вызванные сменой времен года, температуры и другими внешними воздействиями.
Генетика
Изучение процессов наследования сконцентрировано вокруг понятия «ген»: это наука о том, как они формируются, передаются потомству, как превращаются в организмы с заданным набором признаков. Генетики разработали множество инструментов для «считывания» генов на нитях ДНК. Генные инженеры умеют изменять ДНК, чтобы создавать формы жизни, которые обошла вниманием эволюция.
Цитология
Клетка — это единица жизни. Все организмы состоят, по меньшей мере, из одной клетки, а все новые клетки появляются из старых. Цитология, или биология клетки, изучает процессы внутри клетки, функционирование клеток разного типа и механизмы образования различных тканей и органов. Специалисты в этой области работают на стыке генетики, физиологии и биохимии.
Эволюционная биология
Этот раздел биологии ищет причины огромного многообразия видов на Земле, как существующего ныне, так и имевшегося в прошлом — и даже строит предположения о возможных изменениях в будущем. Большинство биологов согласны с дарвиновской теорией эволюции путем естественного отбора, но и она не дает ответов на все вопросы об изменениях организмов на протяжении многих миллионов лет.
Биохимия
Биологией управляет химия. Внутри одной клетки происходит нескольких тысяч уникальных химических реакций. Все вместе эти реакции называются метаболизмом, а биохимики пытаются раскрыть его принципы. Они исследуют огромный спектр соединений — жиры, углеводы и белки. Они моделируют их структуры, чтобы понять, как те функционируют.
Биоразнообразие и биомасса
Многогранность природы сложно выразить количественно. Однако под биоразнообразием принято понимать совокупность разных видов, хотя их число значительно превосходит наши вычислительные способности. Предполагается, что на Земле их около 8 млн, но не исключено, что эта цифра занижена. Некоторые авторитетные ученые полагают, что только прокариотических видов может оказаться более 100 млн. Другой способ количественной оценки природы — это подсчет биомассы, то есть массы всех живых организмов. Биомасса многоклеточных приближается к отметке в 500 млрд тонн. Массу прокариотов оценивают в 4-300 млрд тонн.
Виды под угрозой исчезновения
В результате человеческой деятельности тысячи животных попали под угрозу исчезновения, некоторые даже стали вымирающими. Все внимание обычно концентрируют на крупных млекопитающих, и лучший способ защитить их — защитить среду обитания, которую населяют и менее знакомые нам виды.
Пропорции видов
На диаграмме показаны пропорции различных многоклеточных организмов. Бросается в глаза, что более половины составляют насекомые, а позвоночные — это всего один вид на сотню прочих.
Первичная продукция
Один из индикаторов биологической активности — объем первичной продукции. Это показатели; того, сколько углерода забирается из атмосферы, преобразуется в сахара и в конечном итоге в живой материал — с помощью фотосинтеза. На диаграммах показан объем первичной продукции в наземно-воздушной и водной средах обитания. Что интересно, объем биомассы не всегда прямо пропорционален активности среды.
Биология
Содержание
Биология [ ]
Как особая наука биология выделилась из естественных наук в XIX веке, когда учёные обнаружили, что живые организмы обладают некоторыми общими для всех характеристиками. Термин «биология» был введён независимо несколькими авторами: Фридрихом Бурдахом в 1800 году,Готфридом Рейнхольдом Тревиранусом в 1802 году и Жаном Батистом Ламарком.
Биологическая картина мира [ ]
Существует пять принципов, объединяющих все биологические дисциплины в единую науку о живой материи:
Клеточная теория [ ]
Эволюция [ ]
Центральная организующая концепция в биологии состоит в том, что жизнь со временем изменяется и развивается посредством эволюции, и что все известные формы жизни на Земле имеют общее происхождение. Это обусловило сходство основных единиц и процессов жизнедеятельности, упоминавшихся выше. Понятие эволюции было введено в научный лексикон Жаном-Батистом Ламарком в 1809 году. Чарльз Дарвин через пятьдесят лет установил, что её движущей силой является естественный отбор, так же как искусственный отбор сознательно применяется человеком для создания новых пород животных и сортов растений. Позже в синтетической теории эволюции дополнительным механизмом эволюционных изменений был постулирован генетический дрейф.
Теория гена [ ]
Гомеостаз [ ]
Энергия [ ]
Выживание любого организма зависит от постоянного притока энергии. Энергия черпается из веществ, которые служат пищей, и посредством специальных химических реакций используется для построения и поддержания структуры и функций клеток. В этом процессе молекулы пищи используются как для извлечения энергии, так и для синтеза биологических молекул собственного организма.
Первичным источником энергии для 99 % земных существ является световая энергия, главным образом солнечная (для 1 % — хемосинтез ). Световая энергия посредством фотосинтеза превращается растениями в химическую (органические молекулы) в присутствии воды и некоторых минералов. Часть полученной энергии затрачивается на наращивание биомассы и поддержание жизни, другая часть теряется в виде тепла и отходов жизнедеятельности. Общие механизмы превращения химической энергии в полезную для поддержания жизни называются дыхание и метаболизм.
Уровни организации жизни [ ]
Живые организмы представляют собой высокоорганизованные структуры, поэтому в биологии выделяют ряд уровней организации. В различных источниках некоторые уровни опускаются или совмещаются друг с другом. Ниже представлены основные уровни организации живой природы обособленно друг от друга.
Биологические науки [ ]
Большинство биологических наук является дисциплинами с более узкой специализацией. Традиционно они группируются по типам исследуемых организмов:
Области внутри биологии далее делятся либо по масштабам исследования, либо по применяемым методам:
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.
Биологические науки используют методы наблюдения, моделирования (в том числе компьютерного), описания, сравнения, экспериментов (опыта) и исторического сравнения.
Биологические дисциплины [ ]
Акарология — Анатомия — Альгология — Антропология — Бактериология — Биогеография — Биогеоцено-логия — Биотехнология — Биоинформатика — Биология океана — Биология развития — Биометрия — Бионика — Биосемиотика — Биоспелеология — Биофизика — Биохимия — Ботаника — Биомеханика — Биоценология — Биоэнергетика — Бриология — Вирусология — Генетика — Геоботаника — Герпетология — Гидробиология — Гистология — Дендрология — Зоология — Зоопсихология — Иммунология — Ихтиология — Колеоптероло-гия —Космическая биология — Ксенобиология — Лепидоптерология — Лихенология — Микология — Микробиология — Мирмекология — Молекулярная биология — Морфология — Нейробиология — Палеонтология — Палинология — Паразитология — Радиобиология — Систематика — Системная биология — Синтетическая биология — Спонгиология — Таксономия — Теоретическая биология — Териология — Токсикология — Фенология — Физиология — Физиология ВНД — Физиология животных и человека — Физиология растений — Фитопатология — Цитология — Эволюционная биология — Экология — Эмбриология — Эндокринология — Энтомология — Этология
История биологии [ ]
Виды и популяции
Видом называют совокупность особей, которых объединяет сходство морфологических, физиологических и биохимических особенностей, общее происхождение, способные скрещиваться между собой и давать плодовитое потомство, занимающие определенный ареал.
Напомню, что название всех живых существ состоит из двух слов, так как во всем мире принята биноминальная номенклатура, созданная Карлом Линнеем.
Критерии вида
Особи объединяются в один вид на основании сходства по ряду критериев, однако замечу, что ни один из этих критериев не является абсолютным. Только в совокупности данные критерии позволяют объективно сделать вывод о том, к какому виду относится организм.
Данный критерий свидетельствует о сходстве процессов жизнедеятельности среди особей одного вида. К такому критерию можно отнести, к примеру, продолжительность беременности, периоды миграции и спячки у особей.
Белки и нуклеиновые кислоты у особей одного вида являются видоспецифичными. Это связано с уникальной последовательностью генов в ДНК.
Особи одного вида сходны по строению и числу хромосом. Этот критерий также не абсолютный, у разных видов число хромосом может быть одинаково: в клетках гориллы, картошки и ужовника по 48 хромосом. Однако различия здесь очевидны 🙂
Этот критерий акцентирует внимание на сходстве в поведении животных одного вида. Однако нельзя забывать, что разные виды могут проявлять схожее поведение.
Распространение вида на определенном ареале (территории).
Популяция (лат. populatio — население)
Именно на уровне популяции происходят элементарные эволюционные процессы, которыми так активно занимался советский генетик-эволюционист С.С. Четвериков. Он выдвинул предположение о накоплении мутаций в пределах популяции и подчеркнул особое значение естественного отбора, изоляции в появлении новых видов.
Вся совокупность генов у особей, составляющих популяцию, называется генофонд и представляет собой механизм обмена и передачи генетического материала. У отдельных особей возникают мутации, которые накапливаются в генофонде, и могут привести к появлению новых признаков (возможно полезных, а возможно и не очень).
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.