Биология и её предмет. История биологии

Биология и её предмет. История биологии 
 

Биология (от греч. bios -- жизнь, logos -- наука) -- наука о жизни, об общих закономерностях существования  и развития живых существ. Предметом  ее изучения являются живые организмы, их строение, функции, развитие, взаимоотношения  со средой и происхождение. Подобно  физике и химии она относится  к естественным наукам, предметом  изучения которых является природа. 

Хотя концепция  биологии как особой естественной науки  возникла в XIX веке, биологические дисциплины зародились ранее в медицине и  естественной истории. Обычно их традицию ведут от таких античных учёных как  Аристотель и Гален через арабских медиков аль-Джахиза, ибн-Сину, ибн-Зухра  и ибн-аль-Нафиза. 

В эпоху Возрождения  биологическая мысль в Европе была революционизирована благодаря  изобретению книгопечатания и распространению  печатных трудов, интересу к экспериментальным  исследованиям и открытию множества  новых видов животных и растений в эпоху Великих географических открытий. В это время работали выдающиеся умы Андрей Везалий и  Уильям Гарвей, которые заложили основы современной анатомии и физиологии. Несколько позже Линней и Бюффон совершили огромную работу по классификации  форм живых и ископаемых существ. Микроскопия открыла для наблюдения ранее неведомый мир микроорганизмов, заложив основу для развития клеточной  теории. Развитие естествознания, отчасти  благодаря появлению механистической  философии, способствовало развитию естественной истории. 

К началу XIX века некоторые  современные биологические дисциплины, такие как ботаника и зоология, достигли профессионального уровня. Лавуазье и другие химики и физики начали сближение представлений  о живой и неживой природе. Натуралисты, такие как Александр  Гумбольдт исследовали взаимодействие организмов с окружающей средой и  его зависимость от географии, закладывая основы биогеографии, экологии и этологии. В XIX веке развитие учения об эволюции постепенно привело к пониманию  роли вымирания и изменчивости видов, а клеточная теория показала в  новом свете основы строения живого вещества. В сочетании с данными  эмбриологии и палеонтологии  эти достижения позволили Чарльзу  Дарвину создать целостную теорию эволюции путём естественного отбора. К концу XIX века идеи самозарождения окончательно уступили место теории инфекционного агента как возбудителя  заболеваний. Но механизм наследования родительских признаков всё ещё  оставался тайной. 

В начале XX века Томас  Морган и его ученики заново открыли  законы, исследованные ещё в середине XIX века Грегором Менделем, после чего начала быстро развиваться генетика. К 1930-м годам сочетание популяционной  генетики и теории естественного  отбора породило современную эволюционную теорию или неодарвинизм. Благодаря  развитию биохимии были открыты ферменты и началась грандиозная работа по описанию всех процессов метаболизма. Раскрытие структуры ДНК Уотсоном и Криком дало мощный толчок для развития молекулярной биологии. За ним последовало постулирование центральной догмы, расшифровка генетического кода, а к концу XX века -- и полная расшифровка генетического кода человека и ещё нескольких организмов, наиболее важных для медицины и сельского хозяйства. Благодаря этому появились новые дисциплины геномика и протеомика. Хотя увеличение количества дисциплин и чрезвычайная сложность предмета биологии породили и продолжают порождать среди биологов всё более узкую специализацию, биология продолжает оставаться единой наукой, и данные каждой из биологических дисциплин, в особенности геномики, применимы во всех остальных. 

Традиционная или  натуралистическая биология 
 

Ее объектом изучения является живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности -- «Храм природы», как называл  ее Эразма Дарвина. Истоки традиционной биологии восходят к средним векам, хотя вполне естественно здесь вспомнить  и работы Аристотеля, который рассматривал вопросы биологии, биологического прогресса, пытался систематизировать живые  организма («лестница Природы»). Оформление биологии в самостоятельную науку -- натуралистическую биологию приходится на 18-19 века. Первый этап натуралистической  биологии ознаменовался созданием  классификаций животных и растений. К ним относятся известная  классификация К. Линнея (1707 -- 1778), являющаяся традиционной систематизацией растительного  мира, а также классификация Ж.-Б. Ламарка, применившего эволюционный подход к классифицированию растений и  животных. Традиционная биология не утратила своего значения и в настоящее  время. В качестве доказательства приводят положение экологии среди биологических  наук а также во всем естествознании. Ее позиции и авторитет в настоящее  время чрезвычайно высоки, а она  в первую очередь основывается на принципах традиционной биологии, поскольку  исследует взаимоотношения организмов между собой (биотические факторы) и со средой обитания (абиотические факторы). 

Современная биология и физико-химические методы 
 

На протяжении всей истории развития биологии физические и химические методы были важнейшим  инструментом исследования биологических  явлений и процессов живой  природы. Важность внедрения таких  методов в биологию подтверждают экспериментальные результаты, полученные с помощью современных методов  исследования, зародившихся в. смежных  отраслях естествознания - физике и  химии. В этой связи неслучайно в 1970-х годах в отечественном  научном лексиконе появился новый  термин "физико-химическая биология". Появление этого термина свидетельствует  не только о синтезе физических, химических и биологических знаний, но и о качественно новом уровне развития естествознания, в котором  происходит непременно взаимное обеспечение отдельных его отраслей. Физико-химическая биология содействует сближению биологии с точными науками - физикой и химией, а также становлению естествознания как единой науки о природе. 

В то же время изучение структуры, функций и репродукции  фундаментальных молекулярных структур живой материи не лишает биологию ее индивидуальности и особого положения  в естествознании, так как молекулярные структуры наделены биологическими функциями и обладают вполне определенной спецификой. 

Внедрение физических и химических методов способствовало развитию экспериментальной биологии, у истоков которой стояли крупные  ученые: К. Бернар (1813- 1878), Г. Гельмгольц (1821- 1894), Л. Пастер (1822- 1895), И.М. Сеченов (1829- 1905), И.П. Павлов (1849-1936), С.Н. Виноградский (1856- 1953), К.А. Тимирязев (1843- 1920), И.И. Мечников (1845- 1916) и многие другие.  

Экспериментальная биология постигает сущность процессов  жизнедеятельности преимущественно  с применением точных физических и химических методов, при этом иногда прибегая к расчленению биологической  целостности, т. е. живого организма  с целью проникновения в тайны  его функционирования. 

Современная экспериментальная  биология вооружилась новейшими  методами, позволяющими проникнуть в  субмикроскопический, молекулярный и  надмолекулярный мир живой природы. Можно назвать несколько широко применяемых методов: метод изотопных  индикаторов, методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, методы фракционирования, методы прижизненного  анализа и др. Дадим их краткую  характеристику. 

Метод изотопных  индикаторов, ранее называемый методом  меченых атомов, был предложен  вскоре после открытия радиоактивности. Сущность его заключается в том, что с помощью радиоактивных (меченых) атомов, введенных в организм, прослеживаются передвижение и превращение веществ  в организме. 

С помощью данного  метода удалось установить динамичность процессов обмена веществ, проследить за их начальной, промежуточной и  конечной стадиями, выявить влияние  отдельных структур организма на протекание процессов. Метод изотопных  индикаторов позволяет исследовать  процессы обмена в живом организме. Это одно из его достоинств. Постоянное обновление белков и мембран, биосинтез  белков и нуклеиновых кислот, промежуточный  обмен углеводов и жиров, а  также многие другие важные микропроцессы  были открыты с помощью данного  метода. 

Рентгеноструктурынй анализ оказался весьма эффективным  при исследовании структур макромолекул, лежащих в основе жизнедеятельности  живых организмов. Он позволил установить двухцепочечное строение (двойную спираль) молекул - носителей информации и  нитевидную структуру белков. С появлением рентгеноструктурных исследований родилась молекулярная биология. 

Возможности молекулярной биологии гораздо расширились с  применением электронно-микроскопических исследований, позволивших установить многослойное строение оболочки нервных  волокон состоящих из чередующихся белковых и липидных слоев. Электронно-микроскопические наблюдения дали возможность расшифровать молекулярную организацию живой  клетки и механизм функционирования мембран, на основании которых в  начале 50-х годов была создана  современная мембранная теория; родоначальники ее - английские физиологи А. Ходжкин (1914- 1994), А. Хаксли (р. 1917) а также австралийский  физиолог Дж. Эклс. 

Мембранная теория имеет важное общебиологическое  значение. Сущность ее заключается  в следующем. По обе стороны мембраны за счет встречного потока ионов калия  и натрия создается разность потенциалов. Данный процесс сопровождается возбуждением и деполяризацией ранее находящейся  в покое поляризованной мембраны и заменой знака ее электрического потенциала. Изменение разности потенциалов  едино для всех мембранных систем. Оно обеспечивает одновременно функции  барьеров и своеобразных насосных механизмов. Такие функции мембранных систем способствуют активному проникновению  веществ как внутрь, так и за пределы клетки. За счет мембран  достигается и пространственная изоляция структурных элементов  организма. 

Раскрытие структуры  мембранных систем и механизма их функционирования - крупное достижение не только в биологии, но и в естествознании в целом. 

В физико-химической биологии широко применяются различные  методы фракционирования, основанные на том или ином физическом либо химическом явлении. Довольно эффективный  метод фракционирования предложил  русский биолог и биохимик М.С. Цвет (1872-1919). Сущность его метода заключается  в разделении смеси веществ, основанном на поглощении поверхностью твердых  тел компонентов разделенной  смеси, на ионном обмене и на образовании  осадков. 

Радиоспектроскопия, скоростной рентгеноструктурный анализ, ультразвуковое зондирование и многие другие современные средства исследования составляют арсенал методов прижизненного  анализа. Все эти методы не только широко применяются в физико-химической биологии, но и взяты на вооружение современной медициной. Сейчас ни одно клиническое учреждение не обходится  без рентгеноскопической, ультразвуковой и другой аппаратуры, позволяющей  без ущерба для пациента определить структурные, а иногда функциональные изменения в организме. 

Техника эксперимента современной физико-химической биологии обязательно включает те или иные вычислительные средства, которые в  значительной степени облегчают  трудоемкую работу экспериментатора и  позволяют получить более достоверную  информацию о свойствах исследуемого живого объекта. 

Характерная особенность  современной физико-химической биологии - ее стремительное развитие. Трудно перечислить все ее достижения, но некоторые из них заслуживают  особого внимания. В 1957 г. был реконструирован  вирус табачной мозаики из составляющих его компонентов. В 1968- 1971 гг. произведен искусственный синтез гена для одной  из транспортных молекул путем последовательного  введения в пробирку с синтезируемым  геном новых нуклеотидов. Весьма важными оказались результаты исследований по расшифровке генетического кода: было показано, что при введении искусственно синтезированных молекул  в бесклеточную систему, т. е. систему  без живой клетки, обнаруживаются информационные участки, состоящие  из трех последовательных нуклеотидов, являющихся дискретными единицами  генетического кода. Авторы этой работы - американские биохимики М. Ниренберг (р. 1927), X. Корана (р. 1922) и Р. Холли (р.1922). 

Расшифровка различных  видов саморегуляции - также важное достижение физико-химической биологии. Саморегуляция как характерное  свойство живой природы проявляется  в разных формах, таких, как передача наследственной информации - генетического  кода; регуляция биосинтетических процессов  белка (ферментов) в зависимости  от характера субстрата и под  контролем генетического механизма; регуляция скоростей и направлений  ферментных процессов; регуляция роста  и морфогенеза, т.е. образования структур разного уровня организации; регуляция  анализирующей и управляющей  функций нервной системы. 

Живые организмы - весьма сложный объект для исследований. Но все же современные технические  средства позволяют все глубже и  глубже проникнуть в тайны живой  материи.