Лекция №1 Современный этап развития биологии
Лекция № 1 Современный этап развития биологии
1 Введение. История развития биологии
Биология – это наука о жизни. Ее название возникло из сочетания двух греческих слов bios – жизнь и logos – учение. Этот термин впервые был предложен выдающимся французским естествоиспытателем и эволюционистом Жаном Батистом Ламарком (1802 г.) для обозначения науки о жизни как особом явлении природы.
Биология изучает строение, проявления жизнедеятельности, среду обитания всех живых организмов: бактерий, грибов, растений, животных.
Живое на Земле представлено необычайным разнообразием форм, множеством видов живых существ. В настоящее время уже известно около 500 тыс. видов растений, более 1,5 млн видов животных, большим количеством видов грибов и прокариот, населяющих нашу планету.
К основным задачам биологии относятся следующие:
1 Раскрытие общих свойств живых организмов;
2 Объяснение причин их многообразия;
Рекомендуемые материалы
3 Выявление связей между строением и условиями окружающей среды.
Важное место в этой науке занимают вопросы возникновения и законы развития жизни на Земле – эволюционное учение. Понимание этих вопросов служит не только основой научного мировоззрения, но и необходимо для решения практических задач.
Биология зародилась еще у древних греков и римлян, которые описали известные им растения и животные.
Аристотель (384 – 322 г.г. до н.э.) – основоположник многих наук - впервые попытался упорядочить знания о природе, разграничив ее на «ступени»: неорганический мир, растение, животное, человек. В труде древнеримского врача Галена (131-200 г.г. н.э.) «О частях человеческого тела» дано первое анатомо-физиологическое описание человека.
В средние века составлялись «травники», включавшие описания лекарственных растений.
В эпоху Возрождения интерес к живой природе усилился. Возникли ботаника и зоология.
Изобретение микроскопа в начале 17 века Галилеем (1564-1642) углубило представление о строении живых существ и положило начало изучению клеток и тканей.
А. Левенгук (1632-1723) увидел под микроскопом простейшие, бактерии и сперматозоиды, т.е. явился основоположником микробиологии.
Одним из главных достижений 18 века является создание Карлом Линнеем (1735 г.) системы классификации животных и растений. А в начале 19 века Ж.-Б. Ламарком в книге «Философия зоологии» (1809 г.) впервые была четко сформулирована мысль об эволюции органического мира.
Среди важнейших достижений 19 века – создание клеточной теории М. Шлейденом и Т. Шванном (1838-1839 г.г.), открытие закономерностей наследственности Менделем в 1859 г.
Переворот в биологии произвело учение Ч. Дарвина в 1859 г., который открыл движущие силы эволюции.
Начало 20 века ознаменовалось рождением генетики. Эта наука возникла в результате переоткрытия К. Корренсом, Э. Чермаком и Г. де Фризом законов наследственности, которые ранее были обнаружены Г. Менделем, но остались неизвестными биологам того времени, а также благодаря работа Т. Моргана, обосновавшего хромосомную теорию наследственности.
В 50-е годы значительных успехов достигли исследования тонкой структуры материи. В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик предложили модель структуры ДНК в виде двойной спирали и доказали, что она несет в себе наследственную информацию.
Для современной биологии наряду с детальным изучением отдельных структур и организмов характерна тенденция к целостному познанию живой природы, о чем свидетельствует развитие экологии.
Развитие биологии шло по пути последовательного упрощения предмета исследования. В результате возникли многочисленные биологические дисциплины, специализирующиеся на изучении структурно-функциональных особенностей определенных организмов. Этот путь познания – от сложного к простому – называют редукционистским. Редукционизм сводит познание к изучению элементарнейших форм существования материи. Это относится и к живой, и к неживой природе. При таком подходе человек познает законы природы, изучая вместо единого целого, отдельные его части.
Другой подход основан на виталистических принципах. В этом случае жизнь рассматривается как совершенно особое и уникальное явление, которое нельзя объяснить только действием законов физики или химии.
Поэтому основной задачей биологии как науки является истолкование всех явлений живой природы, исходя из научных законов и не забывая при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от свойств частей, их составляющих. Например, нейрофизиолог может описать работу отдельного нейрона языком физики и химии, но сам феномен сознания так описать нельзя. Сознание возникает в результате коллективной работы и одновременного изменения электрохимического состояния миллионов нервных клеток, но мы до сих пор не знаем, как возникает мысль и каковы ее химические основы.
В настоящее время значение биологии возрастает с каждым годом. Возникло много биологических дисциплин и число их постоянно увеличивается. Связано это с тем, что биологию подразделяют на отдельные науки по предмету изучения: микробиология, ботаника, зоология; выделились и развились области биологии, изучающие общие свойства живых организмов: генетика – закономерности наследования признаков; биохимия – пути превращения органических молекул; экология – взаимоотношения организмов с окружающей средой. Функции живых организмов изучает физиология.
В соответствии с уровнем организации живой материи выделились дисциплины:
молекулярная биология, цитология – учение о клетке, гистология – учение о тканях.
По мере расширения области знаний о живых организмах, появляются все новые биологические отрасли науки.
Вирусология Цитология Молекулярная
биология
Бактериология Микробиология Гистология
Микология Физиология
Фитопатология Ботаника БИОЛОГИЯ Анатомия
Орнитология
Биохимия Энзимология
Ветеринария Зоология Генетика Генная
Энтомология Экология инженерия
Эмбриология
2 Использование достижений биологических наук в деятельности человека
Биология имеет огромное значение в решении практических задач. Основные задачи ООН – продовольственная, здравоохранение, топливно-энергетическая, охрана окружающей среды.
Глобальной проблемой современности является производство пищи. Население нашей планеты приближается к 10 млрд человек. Поэтому проблема обеспечения населения продуктами питания, причем питания полноценного, становится все более острой.
В основном эти задачи решают технологические науки: растениеводство и животноводство, которые базируются на достижениях фундаментальных биологических дисциплин, таких как генетика и селекция, физиология и биохимия, молекулярная биология и экология.
На основе методов селекции, развитых и обогащенных современной генетикой, во всем мире идет интенсивный процесс создания более продуктивных сортов растений и пород животных. Важное качество новых сортов с/х культур – их приспособленность к выращиванию в условиях интенсивных технологий. С/х животные, наряду с высокой продуктивностью, должны обладать специфическими морфолого-анатомическими и физиологическими признаками, позволяющими разводить их на птицефабриках, фермах с электродойкой и стойловым содержанием, в клетках звероферм.
С каждым годом увеличивается дефицит белковой пищи, особенно белков животного происхождения, этот дефицит достигает 2,5 млрд т в год. Уже сейчас по данным ВОЗ 4% населения Земли находятся на грани голодной смерти, а хронически не доедают 10 % населения планеты.
Существуют 2 источника пищи – животная и растительная. Гораздо быстрее и легче производить растительную пищу, чем животную. Поэтому изыскиваются возможности получения пищевого белка неживотного происхождения, в первую очередь из растений – из зеленых частей, а также из семян.
Лидирующее место по извлечению белков занимает соя, это основная масличная культура в США и Японии. Кроме растительного масла, соя содержит очень много биологически полноценного белка (около 44%), который используется в пищу после извлечения из семян масла.
Белковые продукты из сои широкое распространение в западных странах получили только в последние 20-30 лет, в то время как в Китае и Японии они используются в пищу уже более 2-х тысячелетий. В этих странах традиционными являются такие продукты как тофу – соевый творог, кори-тофу – замороженный соевый творог, соевое молоко, юба – пленки, снимаемые с соевого молока при кипячении, и др. продукты.
В 1987 г. в США было выпущено на потребительский рынок 330 новых продуктов на основе белков сои, причем растительные белки применяются в самых разнообразных продуктах: от сосисок до мороженого, сыров, йогуртов, салатных приправ.
Растительные белки очень широко используются в продуктах быстрого приготовления, не требующих сложной кулинарной или достаточно длительной термической обработки. Особенно это касается США, где все более используется пища, которую можно потреблять в любом месте и в любое время – это всевозможные готовые завтраки, обеденные блюда, хлопья, палочки, подушечки и т. д. Причем используются такие блюда не только ради экономии времени, но и по соображениям «здорового питания».
Растительные белки широко используются и в приготовлении аналогов молока и молочных продуктов. В практике пищевой промышленности известно производство восстановленного молока из порошка, полученного из обезжиренной соевой муки. Имеется также целый ряд прохладительных белоксодержащих питательных напитков. Например, во Франции, Швеции, Венгрии имеются полностью автоматизированные установки по производству жидкой соевой продукции, соевых напитков или десертных блюд с натуральным ванильным или шоколадным ароматом. Эти продукты по составу соответствуют сбалансированному питанию, но в них отсутствуют лактоза и холестерин, что определяет целевое назначение для лиц, страдающих желудочно-кишечными и сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Растительные белки широко применяются также как обогатители пшеничной муки при производстве хлеба и хлебобулочных изделий. Их применение способствует улучшению свойств теста при замесе, удлиняет срок сохранения в свежем виде.
Применяются белки и в кондитерской промышленности. Кроме традиционных добавок соевой муки, в приготовлении печенья, сухих завтраков, смесей для кексов, используются также белки из семян подсолнечника. Используются также и белки других растений – хлопчатника, люпина, фасоли, горчицы, арахиса, рапса, сурепицы. Эти белки обладают высокой биологической ценностью, кроме того, их выход из отходов масло-жировой промышленности достигает 62%.
Растительные белки применяются при изготовлении пищевых изделий как:
1 белковые обогатители;
2 заменители и аналоги мясных продуктов;
3 безаллергенные и безлактозные заменители коровьего молока для детского и диетического питания;
4 структурообразователи и наполнители, а также для образования, стабилизации и разрушения пены, например, при приготовлении имитации мясного фарша, мяса, при приготовлении теста, сосисок, взбитых изделий (украшения на кондитерских товарах), кремов и т.д.;
5 разбавители для регулирования калорийности и биологической ценности диетических пищевых изделий для создания низкокалорийных «легких» продуктов.
В последнее время кроме растительных белков предпринимаются попытки использования белков микробного происхождения, особенно много внимания исследователи уделяют дрожжам. Рост и развитие микроорганизмов не зависит от времени года, погодных условий. В качестве субстрата для размножения микроорганизмов можно использовать отходы сельского хозяйства, спиртовой, целлюлозно-бумажной промышленности, а также нефть и газ. По скорости размножения микроорганизмы не имеют себе равных в мире живых существ. Например, организм коровы весом 500 кг за сутки при усиленном полноценном питании образует 0,5 кг белка, а 500 кг дрожжей за это же время синтезируют более 50 т белка, т.е. в 100 тыс. раз больше.
Ещё посмотрите лекцию "19. Скорость продуцирования энтропии" по этой теме.
Производство кормовых и пищевых белков, как растительных, так и микробных, основывается на реализации принципов биотехнологии в промышленных масштабах. На основе принципов биотехнологии широко налажен микробиологический синтез органических кислот, аминокислот, ферментов, витаминов, стимуляторов роста, средств защиты растений.
Для получения более продуктивных форм микроорганизмов используют методы генной инженерии, т.е. прямых манипуляций с индивидуальными генами. Например, зеленая плесень Penicillium glaucum вырабатывает антибиотик пенициллин в малых количествах, а используемая в промышленности плесень Penicillium notatum продуцирует этого антибиотика в 1000 раз больше и т.д.
С помощью пересадки генов биологи –селекционеры работают над созданием растений с контролируемыми сроками цветения, повышенной устойчивостью к заболеваниям, засолению почвы, со способностью к фиксации атмосферного азота (пример – томаты с одновременным созреванием плодов, что обеспечивает механическую уборку).
Теоретические достижения биологии, особенно генетики, широко применяются в медицине. Исследование наследственности человека позволяет разработать методы ранней диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней, связанных с генами, а также хромосомными мутациями и аномалиями. Например, гемофилия, серповидно-клеточная анемия – серповидные эритроциты, наблюдается малокровие, изменение костей и др.; фенилкетонурия и т.д.
В условиях растущего воздействия человека на природу одной из коренных проблем является экологизация деятельности общества и сознания человека. Задача состоит не только в выявлении и устранении отрицательных эффектов воздействия человека на природу, например, местного загрязнения среды какими –то веществами, а главным образом в научном обосновании режимов рационального использования резервов биосферы. Негативные последствия хозяйственной деятельности приняли в последние десятилетия характер экологического кризиса, стали опасны не только для здоровья человека, но и для природной среды в целом. Поэтому еще одна из задач, стоящих перед биологией, это обеспечение сохранности биосферы и способности природы к воспроизводству.
