Биология (биологические науки)
Биология (от греческих слов βίος — жизнь и λόγος — наука) — совокупность наук о живой природе. Биология изучает все проявления жизни, строение и функции живых существ и их сообществ, распространение, происхождение и развитие живых организмов, связи их друг с другом и с неживой природой.
Для живой природы характерны разные уровни организации ее структур, между которыми существует сложное соподчинение. Все живые организмы вместе с окружающей средой образуют биосферу, которая складывается из биогеоценозов. В них, в свою очередь, входят биоценозы, состоящие из популяций. Популяции составляют отдельные особи. Особи многоклеточных организмов состоят из органов и тканей, образованных различными клетками. Для каждого уровня организации жизни характерны свои закономерности. Жизнь на каждом уровне изучают соответствующие отрасли современной биологии.
Для изучения живой природы биологи применяют различные методы: наблюдение, позволяющее описать то или иное явление; сравнение, которое дает возможность установить закономерности, общие для разных явлений в живой природе; эксперимент, или опыт, когда исследователь сам искусственно создает ситуацию, помогающую выявить те или иные свойства биологических объектов. Исторический метод позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом познавать процессы развития живой природы. Кроме этих основных методов применяется много других.
Римский врач и естествоиспытатель Клавдий Гален.
Ученый, врач-анатом и хирург эпохи Возрождения Андреас Везалий.
Английский врач и ученый Уильям Гарвей рассказывает о своих опытах по кровообращению английскому королю Карлу I.
Микроскоп Роберта Гука (60-е гг. XVII в.).
Так выглядели срезы пробки под микроскопом Р. Гука. Это было первое изображение клеток.
Рисунки растительных клеток, сделанные голландским биологом XVII в. Антони ван Левенгуком.
Биология берет свое начало в глубокой древности. Описания животных и растений, сведения об анатомии и физиологии человека и животных были необходимы для практической деятельности людей. Одними из первых попытки осмыслить и привести в систему явления жизни, обобщить накопленные биологические знания и представления сделали древнегреческие, а позже древнеримские ученые и врачи Гиппократ, Аристотель, Гален и другие. Эти воззрения, развитые учеными эпохи Возрождения, положили начало современным ботанике и зоологии, анатомии и физиологии и другим биологическим наукам.
В XVI—XVII вв. в научных исследованиях наряду с наблюдением и описанием стал широко применяться эксперимент. В это время блестящих успехов достигает анатомия. В трудах известных ученых XVI в. А. Везалия и М. Сервета были заложены основы представлений о строении кровеносной системы животных. Это подготовило великое открытие XVII в. — учение о кровообращении, созданное англичанином У. Гарвеем (1628). Через несколько десятилетий итальянец М. Мальпиги открыл при помощи микроскопа капилляры, что позволило понять путь крови от артерий к венам.
Создание микроскопа расширило возможности изучения живых существ. Открытия следовали одно за другим. Английский физик Р. Гук открывает клеточное строение растений, а голландец А. Левенгук — одноклеточных животных и микроорганизмы.
В XVIII в. было накоплено уже много знаний о живой природе. Назрела необходимость классифицировать все живые организмы, привести их в систему. В это время закладываются основы науки систематики. Важнейшим достижением в этой области была «Система природы» шведского ученого К. Линнея (1735).
Дальнейшее развитие получила физиология — наука о жизнедеятельности организмов, их отдельных систем, органов и тканей и процессах, протекающих в организме.
Англичанин Дж. Пристли показал в опытах на растениях, что они выделяют кислород (1771—1778). Позже швейцарский ученый Ж. Сенебье установил, что растения под действием солнечного света усваивают углекислый газ и выделяют кислород (1782). Это были первые шаги на пути исследования центральной роли растений в преобразовании веществ и энергии в биосфере Земли, первый шаг в новой науке — физиологии растений.
А. Лавуазье и другие французские ученые выяснили роль кислорода в дыхании животных и образовании животного тепла (1787—1790). В конце XVIII в. итальянский физик Л. Гальвани открыл «животное электричество», что привело в дальнейшем к развитию электрофизиологии. В это же время итальянский биолог Л. Спалланцани провел точные опыты, опровергавшие возможность самозарождения организмов.
В XIX в. в связи с развитием физики и химии в биологию проникают новые методы исследования. Богатейший материал для изучения природы дали сухопутные и морские экспедиции в малодоступные прежде районы Земли. Все это привело к формированию многих специальных биологических наук.
На рубеже века возникла палеонтология, изучающая ископаемые остатки животных и растений — свидетельства последовательного изменения — эволюции форм жизни в истории Земли. Основоположником ее был французский ученый Ж. Кювье.
Большое развитие получила эмбриология — наука о зародышевом развитии организма. Еще в XVII в. У. Гарвей сформулировал положение: «Все живое из яйца». Однако лишь в XIX в. эмбриология стала самостоятельной наукой. Особая заслуга в этом принадлежит ученому-естествоиспытателю К. М. Бэру, открывшему яйцо млекопитающих и обнаружившему общность плана строения зародышей животных разных классов.
В результате достижений биологических наук в первой половине XIX в. широко распространилась идея родства живых организмов, их происхождения в ходе эволюции. Первую целостную концепцию эволюции — происхождения видов животных и растений в результате их постепенного изменения от поколения к поколению — предложил Ж. Б. Ламарк.
Крупнейшим научным событием века стало эволюционное учение Ч. Дарвина (1859). Теория Дарвина оказала огромное влияние на все дальнейшее развитие биологии. Делаются новые открытия, подтверждающие правоту Дарвина, в палеонтологии (В. О. Ковалевский), в эмбриологии (А. О. Ковалевский), в зоологии, ботанике, цитологии, физиологии. Распространение эволюционной теории на представления о происхождении человека привело к созданию новой отрасли биологии — антропологии. На основе эволюционной теории немецкие ученые Ф. Мюллер и Э. Геккель сформулировали биогенетический закон.
Еще одно выдающееся достижение биологии XIX в. — создание немецким ученым Т. Шванном клеточной теории, доказавшей, что все живые организмы состоят из клеток. Тем самым была установлена общность не только макроскопического (анатомического), но и микроскопического строения живых существ. Так возникла еще одна биологическая наука — цитология (наука о клетках) и как следствие ее — учение о строении тканей и органов — гистология.
В результате открытий французского ученого Л. Пастера (микроорганизмы являются причиной спиртового брожения и вызывают многие болезни) самостоятельной биологической дисциплиной стала микробиология. Работы Пастера окончательно опровергли представления о самозарождении организмов. Исследование микробной природы холеры птиц и бешенства млекопитающих привело Пастера к созданию иммунологии как самостоятельной биологической науки. Существенный вклад в ее развитие внес в конце XIX в. русский ученый И. И. Мечников.
Во второй половине XIX в. многие ученые пытались умозрительно решить загадку наследственности, раскрыть ее механизм. Но только Г. Менделю удалось установить на опыте закономерности наследственности (1865). Так были заложены основы генетики, ставшей самостоятельной наукой уже в XX в.
В конце XIX в. были открыты митоз — деление клеток с точным и равным разделением хромосом между дочерними клетками и мейоз — образование из диплоидных клеток с двойным набором хромосом гаплоидных половых клеток — гамет с одинарным набором хромосом.
Важнейшее значение имело открытие вирусов русским ученым Д. И. Ивановским (1892).
В конце XIX в. большие успехи сделаны в биохимии. Швейцарский врач Ф. Мишер открыл нуклеиновые кислоты (1869), выполняющие, как было установлено в дальнейшем, функции хранения и передачи генетической информации. К началу XX в. было выяснено, что белки состоят из аминокислот, соединенных друг с другом, как показал немецкий ученый Э. Фишер, пептидными связями.
Физиология в XIX в. развивается в разных странах мира. Особенно существенными были работы французского физиолога К. Бернара, создавшего учение о постоянстве внутренней среды организма — гомеостазе. В Германии прогресс физиологии связан с именами И. Мюллера, Г. Гельмгольца, Э. Дюбуа-Реймона. Гельмгольц развил физиологию органов чувств, Дюбуа-Реймон стал основоположником изучения электрических явлений в физиологических процессах. Выдающийся вклад в развитие физиологии в конце XIX — начале XX в. внесли русские ученые: И. М. Сеченов, Н. Е. Введенский, И. П. Павлов, К. А. Тимирязев.
В XX в. развиваются новые биологические дисциплины и исследования в «классических» отраслях биологии. Особенно бурно развиваются генетика, цитология, физиология животных и растений, биохимия, эмбриология, эволюционное учение, учение о биосфере, а также микробиология, вирусология, паразитология и многие другие отрасли биологии.
Генетика сформировалась как самостоятельная биологическая наука, изучающая наследственность и изменчивость живых организмов. Еще из работ Менделя следовало, что существуют материальные единицы наследственности, впоследствии названные генами. Это открытие Менделя было оценено лишь в начале XX в. в результате исследований Х. Де Фриза в Голландии, Э. Чермака в Австрии, К. Корренса в Германии. Американский ученый Т. Морган, исследуя гигантские хромосомы мухи дрозофилы, пришел к выводу, что гены находятся в клеточных ядрах, в хромосомах. Он, а также другие ученые разработали хромосомную теорию наследственности. Тем самым генетика в значительной мере объединилась с цитологией (цитогенетика) и стал понятен биологический смысл митоза и мейоза.
С начала нашего века началось быстрое развитие биохимических исследований во многих странах мира. Основное внимание было уделено путям превращения веществ и энергии во внутриклеточных процессах. Было установлено, что эти процессы в принципе одинаковы у всех живых существ — от бактерий до человека. Универсальным посредником в превращении энергии в клетке оказалась аденозинтрифосфорная кислота(АТФ). Советский ученый В. А. Энгельгардт открыл процесс образования АТФ при поглощении клетками кислорода. Открытие и исследование витаминов, гормонов, установление состава и строения всех основных химических компонентов клетки выдвинули биохимию на одно из ведущих мест в ряду биологических наук.
Еще на рубеже XIX и XX вв. профессор Московского университета А. А. Колли поставил вопрос о молекулярном механизме передачи признаков по наследству. Ответ на вопрос дал в 1927 г. советский ученый Н. К. Кольцов, выдвинув матричный принцип кодирования генетической информации (см. Транскрипция, Трансляция).
Матричный принцип кодирования был разработан советским ученым Н. В. Тимофеевым-Ресовским и американским ученым М. Дельбрюком.
В 1953 г. американец Дж. Уотсон и англичанин Ф. Крик использовали этот принцип при анализе молекулярной структуры и биологических функций дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Так на основе биохимии, генетики и биофизики возникла самостоятельная наука — молекулярная биология.
В 1919 г. в Москве был основан первый в мире Институт биофизики. Эта наука исследует физические механизмы преобразования энергии и информации в биологических системах. Существенная проблема биофизики — выяснение роли различных ионов в жизни клетки. В этом направлении работали американский ученый Ж. Лёб, советские исследователи Н. К. Кольцов, Д. Л. Рубинштейн. Эти исследования привели к установлению особой роли биологических мембран. Неравновесное распределение ионов натрия и калия по обе стороны мембраны клетки, как показали английские ученые А. Л. Ходжкин, Дж. Экле и А. Ф. Хаксли, является основой распространения нервного импульса.
Значительных успехов добились науки, изучающие индивидуальное развитие организмов — Онтогенез. Были разработаны, в частности, методы искусственного партеногенеза.
В первой половине XX в. советский ученый В. И. Вернадский создал учение о биосфере Земли. В это же время В. Н. Сукачев заложил основы представлений о биогеоценозах.
Изучение взаимодействия отдельных особей и их совокупностей с окружающей средой привело к формированию экологии — науки о закономерностях взаимоотношений организмов со средой обитания (термин «экология» предложил в 1866 г. немецкий ученый Э. Геккель).
Самостоятельной биологической наукой стала этология, изучающая поведение животных.
В XX в. получила дальнейшее развитие теория биологической эволюции. Благодаря развитию палеонтологии и сравнительной анатомии было выяснено происхождение большинства крупных групп органического мира, вскрыты морфологические закономерности эволюции (советский ученый А. Н. Северцов). Огромное значение для развития эволюционной теории имел синтез генетики и дарвинизма (работы советского ученого С. С. Четверикова, английских ученых С. Райта, Р. Фишера, Дж. Б. С. Холдейна), приведший к созданию современного эволюционного учения. Ему посвящены труды американских ученых Ф. Г. Добржанского, Э. Майра, Дж. Г. Симпсона, англичанина Дж. Хаксли, советских ученых И. И. Шмальгаузена, Н. В. Тимофеева-Ресовского, немецкого ученого Б. Ренша.
Советский ученый Н. И. Вавилов на основании достижений эволюционной теории и генетики и в результате собственных многолетних исследований создал теорию центров происхождения культурных растений. А. И. Опарин распространил эволюционные представления на «предбиологический» период существования Земли и выдвинул теорию происхождения жизни.
Зоологи и ботаники в XX в. продолжали изучение жизни животных и растений в различных условиях обитания. Большие успехи были достигнуты в изучении отдельных групп животных и растений — орнитологии (птицы), энтомологии (насекомые), герпетологии (пресмыкающиеся), альгологии (водоросли), лихенологии (лишайники) и др. Выдающийся вклад в развитие зоологии внесли советские ученые М. А. Мензбир, С. И. Огнев, А. Н. Формозов, В. А. Догель, Л. А. Зенкевич, К. И. Скрябин, М. С. Гиляров и другие; ботаники — М. И. Голенкин, К. И. Мейер, А. А. Уранов, Л. И. Курсанов, В. Л. Комаров и другие.
Физиология животных развивалась под сильным влиянием трудов советских ученых И. П. Павлова, Л. А. Орбели, А. А. Ухтомского, А. Ф. Самойлова, английского ученого Ч. Шеррингтона и многих других. Основное внимание было уделено физиологии центральной нервной системы, механизмам передачи сигналов по нерву и с нерва на мышцу.
В результате изучения регуляции формообразования, роста и развития животных в отдельную биологическую дисциплину выделилась эндокринология — наука о гормонах, имеющая важное значение для медицины. Советский ученый М. М. Завадовский выдвинул концепцию взаимодействия эндокринных органов по принципу обратных связей (см. Эндокринная система).
Физиология растений добилась успехов в познании природы фотосинтеза, изучении участвующих в нем пигментов, и прежде всего хлорофилла.
С выходом человека в космическое пространство появилась новая наука — космическая биология. Основная задача ее — жизнеобеспечение людей в условиях космического полета, создание искусственных замкнутых биоценозов на космических кораблях и станциях, поиск возможных проявлений жизни на других планетах, а также подходящих условий для ее существования.
В 70-е гг. возникла новая отрасль молекулярной биологии — генная инженерия, задача которой — активная и целенаправленная перестройка генов живых существ, их конструирование, т. е. управление наследственностью. В результате этих работ стало возможным введение генов, взятых из одних организмов или даже искусственно синтезированных, в клетки других организмов (например, введение гена, кодирующего синтез инсулина у животных, в клетки бактерий). Стала возможной гибридизация клеток разных видов — клеточная инженерия. Разработаны методы, позволяющие выращивать организмы из отдельных клеток и тканей (см. Культура клеток и тканей). Это открывает огромные перспективы в размножении копий — клонов ценных индивидуумов.
Все эти достижения имеют чрезвычайно важное практическое значение — они стали основой новой отрасли производства — биотехнологии. Уже сейчас осуществляется биосинтез лекарств, гормонов, витаминов, антибиотиков в промышленных масштабах. А в будущем таким путем мы сможем получить основные компоненты пищи — углеводы, белки, липиды. Использование солнечной энергии по принципу фотосинтеза растений в биоинженерных системах разрешит проблему обеспечения энергией основных потребностей людей.
Значение биологии в наши дни неизмеримо возросло и в связи с проблемой сохранения биосферы из-за бурного развития промышленности, сельского хозяйства, роста населения Земли. Появилось важное практическое направление биологических исследований — изучение среды обитания человека в широком смысле и организация на этой основе рациональных способов ведения народного хозяйства, охраны природы.
Биология имеет огромное значение для сельского хозяйства. Только знание законов генетики и селекции, а также физиологических особенностей культурных видов дает возможность совершенствовать агротехнику и зоотехнию, выводить новые, более продуктивные сорта растений и породы животных. Биологические знания помогают в борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений, паразитами животных. Они играют важную роль в совершенствовании лесного и промыслового хозяйства, звероводства.
Другое важнейшее практическое значение биологических исследований — использование их в медицине. Именно успехи и открытия в биологии определили современный уровень медицинской науки. С ними связан и дальнейший прогресс медицины. О многих задачах биологии, связанных со здоровьем людей, вы прочтете в нашей энциклопедии (см. Иммунитет, Бактериофаг, Наследственность и др.).
Биология в наши дни становится реальной производительной силой. По уровню биологических исследований можно судить о материально-техническом развитии общества.
Накоплению знаний в новых и классических областях биологии способствует применение новых методов и приборов, например появление электронной микроскопии.
Растет число биологических научно-исследовательских институтов, биостанций, а также заповедников и национальных парков, играющих важную роль как «природные лаборатории».
Большое число биологов разных специальностей готовят высшие учебные заведения (см. Биологическое образование). Многие из вас пополнят в будущем многочисленный отряд специалистов, перед которым стоят задачи решения важных биологических проблем.
