Тема 3 Биология "Введение. Уровни организации живой природы"
план-конспект урока

Биология как наука

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 наука определяется 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. Например, у генетиков есть генеалогический метод изучения родословных человека, у селекционеров — метод гибридизации, у гистологов — 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.

К основным методам науки относятся следующие (универсальные, общие для всех наук правила построения научных теорий):

Моделирование — метод, при котором создается некий образ объекта, модель, с помощью которой ученые получают необходимые сведения об объекте. Так, например, при установлении структуры молекулы ДНК 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. (См. раздел Нуклеиновые кислоты.)

Наблюдение — метод, с помощью которого исследователь собирает информацию об объекте. Наблюдать можно визуально, например, за поведением животных. Можно наблюдать с помощью приборов за изменениями, происходящими в живых объектах: например, при снятии кардиограммы в течение суток, при замерах веса теленка в течение месяца. Наблюдать можно за сезонными изменениями в природе, за линькой животных и т.д. Выводы, сделанные наблюдателем, проверяются либо повторными наблюдениями, либо экспериментально.

Эксперимент (опыт) — метод, с помощью которого проверяют результаты наблюдений, выдвинутые предположения — гипотезы. Примерами экспериментов являются скрещивания животных или растений с целью получения нового сорта или породы, проверка нового лекарства, выявление роли какого-либо органоида клетки и т.д. Эксперимент — 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. Примером проблемы может служить, например, такая: «Как возникает приспособленность организмов к окружающей среде?» или «Каким образом можно подготовиться к серьезным экзаменам в максимально короткие сроки?».
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…». Например, «Если растения на свету выделяют кислород, то мы сможем его обнаружить с помощью тлеющей лучины, т.к. кислород должен поддерживать горение». Гипотеза проверяется экспериментально. (См. раздел Гипотезы происхождения жизни на Земле.)

Теория — это обобщение основных идей в какой-либо научной области знания. Например, теория эволюции обобщает все достоверные научные данные, полученные исследователями на протяжении многих десятилетий. Со временем теории дополняются новыми данными, развиваются. Некоторые теории могут опровергаться новыми фактами. Верные научные теории подтверждаются практикой. Так, например, генетическая теория Г. Менделя и хромосомная теория Т. Моргана подтвердились многими экспериментальными исследованиями в разных странах мира. Современная эволюционная теория хотя и нашла множество научно доказанных подтверждений, до сих пор встречает противников, т.к. не все ее положения можно на современном этапе развития науки подтвердить фактами.

Частными научными методами в биологии являются:

• Генеалогический метод — применяется при составлении родословных людей, выявлении характера наследования некоторых признаков.
• Исторический метод — установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени (несколько миллиардов лет). Эволюционное учение развивалось в значительной мере благодаря этому методу.
• Палеонтологический метод — 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.
• Цитологический, или цитогенетический, — 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 свой объект и свой предмет исследования. У биологии объектом исследования является ЖИЗНЬ. Носители жизни — живые тела. Все, что связано с их существованием, изучает биология. 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.

Достижения биологии

Достижения современной биологии нашли практическое применение в промышленном биологическом синтезе аминокислот, кормовых белков, ферментов, витаминов, стимуляторов роста и средств защиты растений, органических кислот и др.

С помощью методов генной инженерии биологами созданы организмы с новыми комбинациями наследственных признаков и свойств, например растения с повышенной устойчивостью к заболеваниям, засолению почв, способностью к фиксации атмосферного азота и др. Кроме того, генная инженерия положена в основу разработки принципов биотехнологии, связанной с производством биологически активных веществ (инсулин, антибиотики, интерферон, новые вакцины для профилактики инфекционных заболеваний человека и животных).

Теоретические достижения биологии широко применяются в медицине. Именно успехи и открытия в биологии определили современный уровень медицинской науки. В частности, генетические исследования позволяют разрабатывать методы ранней диагностики, лечения и .профилактики многих наследственных болезней человека (альбинизм, гемофилия, бесплодие и др.). С ними во многом связан и дальнейший прогресс медицины.

Решение таких важных проблем современности, как охрана окружающей среды, рациональное использование природных ресурсов и повышение продуктивности растительного мира, возможны только на основе биологических исследований. Они предусматривают выявление и устранение отрицательных последствий воздействия человека на природу (загрязнение среды многочисленными вредными веществами), определение режимов рационального использования резервов биосферы. Кроме того, задачей биологии является обеспечение сохранности биосферы и способности природы к самовоспроизведению.

Вторую половину XX столетия справедливо называют веком биологии. Такая оценка роли биологии в жизни человечества представляется еще более оправданной для приближающегося XXI в. К настоящему времени наукой о жизни получены важные результаты в области изучения наследственности, фотосинтеза, фиксации растениями атмосферного азота, синтеза гормонов и других регуляторов жизненных процессов.

Уровневая организация и эволюция

На нашей планете обитает множество различных живых организмов. Они не существуют сами по себе, а взаимодействуют с окружающей их средой и друг с другом. Таким образом, наш мир живых организмов это совокупность биологических систем разной сложности, которые образуют единую структуру. Мы можем увидеть разницу на примере одной клетки или множества клеток, одной особи или множества особей. Совокупность множества клеток может быть тканью или органом, совокупность нескольких особей может быть стаей или популяцией.

В результате эволюции наш мир стал представляться как многоуровневая система. Сначала появлялись простые уровни организации материи, потом они становились составными частями более сложных уровней. Вследствие этого уровневая организация и эволюция являются отличительными признаками всего живого.

Уровни организации живой природы

Уровень организации живой материи – это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерархии живого. Выделяют следующие уровни организации живой материи.

1. Молекулярный (молекулярно-генетический). Он включает в себя способ существования и самовоспроизводства сложных информационных органических молекул, высокомолекулярные органические соединения, такие как белки, вирусы, плазмиды, нуклеиновые кислоты и др.
2. Субклеточный (надмолекулярный). На этом уровне живая природа организуется в органоиды: хромосомы, клеточную мембрану, эндоплазматическую сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, рибосомы и другие субклеточные структуры.
3. Клеточный. На этом уровне живая природа представлена клетками, т.е. элементарной структурной и функциональной единицей живого.
4. Органо-тканевый. На этом уровне живая природа организуется в ткани и органы. Ткань – совокупность клеток, сходных по строению и функциям, а также связанных с ними межклеточных веществ. Орган – часть многоклеточного организма, выполняющая определенную функцию или функции.
5. Организменный (онтогенетический). На этом уровне живая природа представлена организмами. Организм (особь, индивид) – неделимая единица жизни, ее реальный носитель, характеризующийся всеми ее признаками.
6. Популяционно-видовой. На этом уровне живая природа организуется в популяции. Популяция – совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Вид – совокупность особей (популяций), способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимающих в природе определенную область (ареал).
7. Биоценотический. На этом уровне живая природа образует биоценозы – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.
8. Биогеоценотический. На этом уровне живая природа формирует биогеоценозы – совокупность биоценоза и абиотических факторов среды обитания (климат, почва).
9. Биосферный. На этом уровне живая природа формирует биосферу – оболочку Земли, преобразованную деятельностью живых организмов.

Биология как наука. Уровни организации жизни                     Вариант 1

Выберите один правильный ответ

1. Многообразие организмов и их классификацию изучает наука

1) зоология        2) систематика        3) ботаника         4) экология

2. Наследственность и изменчивость живых организмов изучает наука

1) бриология      2) биотехнология      3) альгология      4) генетика

3. Для выявления общих признаков животных, растений и грибов используется метод

1) описания     2) сравнения    3) описания    4) опроса

4. Численность животных ,их вес и скорость движения человек изучают, используя в качестве основного метода

1) наблюдения      2) измерения     3) рассматривания    4) эксперимента

5. Все живые организмы способны к

1) неограниченному росту            2) питанию готовыми органическ веществами

3) движению                                   4) обмену веществ

6.  Раздражимость – это свойство живых организмов

1) реагировать на изменения в окружающей среде

2) выделять ненужные вещества

3) поглощать питательные вещества

4) передавать свои признаки следующим поколениям

7. Объектом изучения цитология служит уровень организации живого

1) молекулярный                          2) клеточный      

3) популяционно-видовой          4) биоценотический (экосистемный)

8. Реализация наследственной информации происходит на уровне организации живого

1) молекулярный                      2) организменный          

3) популяционно-видовой      4) биосферный  

9. Выберите три верных ответа  

Отличительные признаки живых организмов от объектов неживой природы:

1) обмен веществ и энергии

2) наследственность и изменчивость

3) изменение размеров под воздействием среды

4) рост и развитие

5) неклеточное строение

6) участие в круговороте веществ

Биология как наука. Уровни организации жизни                       Вариант 2

Выберите один правильный ответ

1. Связи организмов с окружающей средой изучает наука:

1) зоология    2) ботаника      3) анатомия      4) экология

2. Отпечатки и окаменелости вымерших организмов изучает наука

1) систематика    2) физиология     3) палеонтология    4) экология

3. На анализе сходства и различий изучаемых объектов основан метод

1) эксперимента       2) сравнения      3) наблюдения     4) моделирования

4. Для изучения тонкого строения митохондрий и хлоропластов человек воспроизводит природное явление

1) сравнение      2) измерение     3) наблюдение      4) эксперимент

5. Способность организмов приобретать новые признаки

1) изменчивость            2) рост          3) развитие       4) наследственность

6. Все живые организмы объединяет

1) клеточное строение           2) способность к фотосинтезу

3) наличие ядра в клетке       4) способность к движению

7. Наивысший уровень организации живых систем

1) организменный      2) молекулярный      3) биосферный     4) экосистемный

8. Все уровни организации живой природы тесно связаны мжду собой, что свидетельствует о

1) круговороте веществ и энергии

2) умении приспосабливаться к условиям среды

3) необходимости сохранения исчезающих видов

4) целостности живой природы

9.  Расставьте по возрастанию степени сложности уровни организации живой природы

1) организменный

2) популяционно-видовой

3) молекулярный

4) клеточный

5) биосферный

6) биогеоценотический

Биология как наука. Уровни организации жизни                      Вариант 3

Выберите один правильный ответ

1. Функции целостного организма, отдельных клеток, органов и систем изучает наука:

1) анатомия    2) физиология       3) цитология     4) генетика

2. Развитие организмов от образования зиготы до рождения изучает наука

1) эмбриология      2) зоология     3) ботаника     4) цитология

3. Для выявления различий в анатомическом строении организмов разных типов используется метод

1) прогнозирования          2) сравнения      

3) моделирования             4) центрифигурования

4. Исследование, при котором в лаборатории человек воспроизводит природное явление

1) сравнение     2) измерение     3) наблюдение     4) эксперимент

5. Свойство организмов сохранять постоянство своей внутренней среды при изменении условий внешней среды

1) движение        2) саморегуляция      3) наследственность     4) филогенез

6. Способность организмов передавать свои признаки и особенности развития следующим поколениям

1) изменчивость      2) размножение       3) развитие      4) наследственность

7.  Начальный уровень организации живой природы

1) организменный              2) молекулярный

3) биосферный                   4) биогеоценотический (экосистемный)

8. Строение белков, жиров и углеводов изучают на уровне организации живого

1) организменном         2) популяционно-видовом

3) клеточном                 4) молекулярном

9.  Расставьте по возрастанию степени сложности уровни организации живой природы

1) популяционно-видовой

2) биогеоценотический

3) организменный

4) молекулярный

5) клеточный

6) биосферный

Биология как наука. Уровни организации жизни                       Вариант 4

Выберите один правильный ответ

1. Естественная наука, представляющая совокупность наук о живой природе

1) география     2) физика     3) химия      4) биология

2. Происхождение, строение, развитие живых организмов

1) география     2) физика     3) химия      4) биология

3. Скорость движения оленя определяют методом

1) электронного микроскопирования         2) измерения

3) центрифугирования                               4) наблюдения

4. Сезонные изменения в живой природе изучают, используя в качестве основного метода

1) эксперимента      2) наблюдения    3) описания     4) анкетирования

5. Необратимое направленное закономерное изменение объектов живой природы

1) наследственность     2) раздражимость     3) размножение     4) развитие

6. Способность живых организмов образовывать себе подобные себе подобные организмы

1) наследственность         2) самовоспроизведение    

3) изменчивость               4) саморегуляция

7. Особенности строения, физиологии, адаптации, поведения животных изучают на уровне организации живого

1) организменном           2) экосистемном

3) клеточном                    4) популяционно-видовом

8. Внутривидовые отношения изучают на уровне организации живого

1) биогеоценотическом         2) популяционно-видовом

3) молекулярном                     4) организменном

9. Выберите три верных ответа из шести.

1) участие в круговороте веществ

2) клеточное строение

3) размножение

4) изменение свойств под воздействие среды

5) неклеточное строение

6) саморегуляция

Основные уровни организации живой природы

Уровни организации живых систем отражают соподчиненность, иерархичность структурной организации жизни; отличаются друг от друга сложностью организации системы (клетка устроена проще по сравнению с многоклеточным организмом или популяцией).

Биологический уровень жизни – это форма и способ ее существования (вирус существует в виде молекулы ДНК или РНК, заключенной в белковую оболочку) – это форма существования вируса. Однако свойства живой системы вирус проявляет, только попав в клетку другого организма, где он размножается – это способ его существования.

Уровни организации живой материи (размерная схема)

Принципы расчета структуры ядер элементов и изотопов периодической таблицы Д.И. Менделеева

• Молекулярный (молекулярно-генетический) уровень — самый низкий уровень проявления жизни. Структурными элементами этого уровня являются молекулы нуклеиновых кислот, белков, липидов, углеводов и других органических веществ. На этом уровне происходят явления, связанные с размножением и обменом веществ. Изучением жизни на молекулярном уровне занимается молекулярная биология.
• Клеточный уровень представлен клеткой — основной единицей строения, функционирования и размножения живых организмов. Процессы, связанные с функционированием клеток, изучает цитология.
• Тканевый уровень изучает гистология.

Ткань — это совокупность межклеточного вещества и сходных по строению, происхождению и выполняемым функциям клеток. 

• Органный уровень. Орган включает в свой состав несколько тканей.

Орган — это часть организма, выполняющая определённые функции, имеющая определённое строение и занимающая в организме определённое место.   

• Организменный уровень изучают разные науки, например, физиология и аутэкология (экология особей). Особь как целостный организм представляет собой элементарную единицу жизни. В другой форме жизнь в природе не существует.

Организм — это любое живое тело, способное существовать самостоятельно и обладающее рядом свойств, которые отличают его от неживых тел.

• Популяционно-видовой уровень характеризуется объединением родственных особей в группы — популяции, а популяций — в виды. Здесь действуют законы внутривидовых взаимоотношений, возникают и накапливаются мутации, происходит естественный отбор. Этот уровень организации изучают такие науки, как демэкология (или популяционная экология), эволюционное учение.

Популяция — это совокупность свободно скрещивающихся организмов одного вида, обитающих долгое время на общей территории, относительно изолированных от других таких же совокупностей.

• Биогеоценотический уровень представлен экосистемами, т. е. сообществами, образованными популяциями разных видов и окружающей средой. Этот уровень организации изучает биоценология, или синэкология (экология сообществ).

Биогеоценоз — это совокупность всех видов с различной сложностью организации и всех факторов среды их обитания.

• Биосферный уровень — это высший уровень организации жизни. Биосфера состоит из всех биогеоценозов, существующих на Земле. Как и любой живой системе, биосфере характерен круговорот веществ и превращение энергии.