Читать онлайн Биология с основами экологии бесплатно

Введение

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.

Биология – одна из старейших естественных наук, хотя термин «биология» для ее обозначения впервые был предложен лишь в 1797 г. немецким профессором анатомии Теодором Рузом (1771-1803 гг.), после чего этот термин использовали в 1800 г. профессор Дерптского университета (ныне г. Тарту) К. Бурдах (1776-1847 гг.), а в 1802 г. Ж. – Б. Ламарк (1744-1829 гг.) и Л. Тревиранус (1779-1864 гг.).

Объектом исследования биология является жизнь во всех ее проявлениях. Что же такое жизнь? Полного ответа на этот вопрос до сего времени нет. Из многочисленных определений этого понятия приведем наиболее популярное.

Жизнь – особая форма существования и физико-химического состояния белковых тел, характеризуемая зеркальной асимметрией аминокислот и сахаров, обменом веществ, гомеостазом, раздражимостью, самовоспроизведением, системным самоуправлением, приспособляемостью к среде, саморазвитием, перемещением в пространстве, передачей информации, физической и функциональной дискретностью отдельных особей или общественных конгломератов, а также относительной самостоятельностью надорганизменных систем, при общем физикохимическом единстве живого вещества биосферы.

Биология исследует общие и частные закономерности присущие жизни во всех ее проявлениях и свойствах: обмен веществ и энергии, размножение, наследственность и изменчивость, рост и развитие, раздражимость, дискретность, авторегуляция, движение и др.

В зависимости от объектов изучения в биологии можно выделить ряд направлений: вирусологию, микробиологию, ботанику, зоологию, антропологию и др. Эти науки исследуют особенности происхождения, строения, развития, жизнедеятельности, свойства, разнообразие и распространение на земном шаре каждого отдельного вида вирусов, бактерий, животных, растений и человека.

По структуре, свойствам и проявлениям индивидуальной жизни в биологии выделяют морфологию и анатомию (изучает формы и строение организмов), физиологию (анализирует функции живых организмов, их взаимную связь и зависимость от внешних и внутренних условий), генетику (изучает закономерности наследственности и изменчивости организмов), биологию развития (изучает закономерности индивидуального развития организмов), эволюционное учение (исследует закономерности исторического развития органического мира), экологию (изучает образ жизни растений и животных в их взаимосвязи с условиями окружающей среды). Химические реакции и физико-химические процессы в живых организмах, а также химический состав и физическую структуру биологических систем на всех уровня организации изучают биохимия и биофизика. Установить закономерности, незаметные при описании единичных процессов и явлений, позволяет биометрия, т.е. совокупность приемов планирования и обработки результатов биологических исследований методами математической статистики. Жизненные явления на молекулярном уровне изучает молекулярная биология.

В настоящее время обнаружено и описано более 2 млн. биологических видов. Среди них более 1 млн. видов животных, 0,5 млн. видов растений, сотни тысяч грибов, более 3 тыс. видов бактерий. В задачу общей биологии входит изучение явлений и процессов, наиболее общих для всего многообразия живых организмов.

Основные признаки живого. В современной науке принято рассматривать жизнь как совокупность живых систем, обладающих следующими отличными от неживой материи свойствами:

1 Определенный химический состав. Живые существа состоят из тех же химических элементов, что и неживые, но в организмах есть молекулы веществ, характерных только для живого (нуклеиновые кислоты, белки, липиды).

2 Дискретность и целостность. Любая биологическая система (клетка, организм, вид и т.д.) состоит из отдельных частей, т.е. дискретна. Взаимодействие этих частей образует целостную систему (например, в состав организма входят отдельные органы, связанные структурно и функционально в единое целое).

3 Структурная организация. Живые системы способны создавать порядок из хаотичного движения молекул, образуя определенные структуры. Для живого характерна упорядоченность в пространстве и времени. Это комплекс сложных саморегулирующихся процессов обмена веществ, протекающих в строго определенном порядке, направленном на поддержание постоянства внутренней среды – гомеостаза.

4 Обмен веществ и энергии. Живые организмы – открытые системы, совершающие постоянный обмен веществом и энергией с окружающей средой. При изменении условий среды происходит саморегуляция жизненных процессов по принципу обратной связи, направленная на восстановление постоянства внутренней среды – гомеостаза. Например, продукты жизнедеятельности могут оказывать сильное и строго специфическое тормозящее воздействие на те ферменты, которые составили начальное звено в длинной цепи реакций.

5 Самовоспроизведение. Самообновление. Время существования любой биологической системы ограничено. Для поддержания жизни происходит процесс самовоспроизведения, связанный с образованием новых молекул и структур, несущих генетическую информацию, находящуюся в молекулах ДНК.

6 Наследственность. Молекула ДНК способна хранить, передавать наследственную информацию, благодаря матричному принципу репликации, обеспечивая материальную преемственность между поколениями.

7 Изменчивость. При передаче наследственной информации иногда возникают различные отклонения, приводящие к изменению признаков и свойств у потомков. Если эти изменения благоприятствуют жизни, они могут закрепиться отбором.

8 Рост и развитие. Организмы наследуют определенную генетическую информацию о возможности развития тех или иных признаков. Реализация информации происходит во время индивидуального развития – онтогенеза. На определенном этапе онтогенеза осуществляется рост организма, связанный с репродукцией молекул, клеток и других биологических структур. Рост сопровождается развитием.

9 Раздражимость и движение. Все живое избирательно реагирует на внешние воздействия специфическими реакциями благодаря свойству раздражимости. Организмы отвечают на воздействие движением. Проявление формы движения зависит от структуры организма.

Уровни организации жизни. В настоящее время различают несколько структурно – функциональных уровней организации и изучения жизненных явлений:

1 Молекулярный. Жизнедеятельность любого организма основана на функционировании составляющих его молекул. На этом уровне начинается обмен веществ и энергии и передача наследственной информации.

2 Клеточный. Клетка – элементарная единица живого, она обладает всеми характерными признаками живых систем.

3 Тканевый. В многоклеточных организмах группы функциональных клеток объединены в ткани (н-р, покровные, костные, мышечные).

4 Органный. Каждый орган состоит, как правило, из нескольких разнофункциональных тканей.

5 Организменный. Специализированные для выполнения различных функций органы и ткани объединены в целостную систему организма.

6 Популяционно-видовой. Организмы, имеющие сходные в основных чертах морфологические и биологические признаки, составляют более сложный надорганизменный уровень организации жизни – вид. Особи одного вида, объединенные территориально, представляют собой общность, называемую популяцией.

7 Биогеоценотический (экосистемный). Популяции разных видов, населяющих определенную территорию, тесно взаимодействуют между собой. В совокупности с окружающей неживой природой они составляют экосистему.

8 Биосферный. Самый сложный общепланетарный уровень организации жизни, объединяющий все экосистемы. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, тесно связанные с жизнедеятельностью всех организмов планеты.

Иерархичность живой природы. Наличие уровней организации позволяет выделить в живых системах соподчиненность (иерархию). Биохимические процессы (молекулярный уровень) обеспечивают жизнедеятельность клеток. Клетки организованы в ткани. Каждая ткань выполняет свою задачу в целостной системе организма. Жизнеспособность отдельных особей обеспечивает благополучие вида, занимающего свое место в экосистемах планеты.

На каждом последующем уровне происходит усложнение биосистем и появление у них новых качеств. В курсе общей биологи мы изучим закономерности, характерные для всех уровней организации жизни.

Методы исследования в биологии. Для изучения живой природы биологи используют следующие основные методы:

1) наблюдение – позволяет описать биологические явления;

2) сравнение – дает возможность найти общие закономерности в строении, жизнедеятельности различных организмов;

3) эксперимент или опыт – помогает исследователю изучить свойства биологических объектов;

4) моделирование – имитируются многие процессы, недоступные для непосредственного наблюдения или экспериментального воспроизведения;

5) исторический метод – позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом познать процессы развития живой природы.

1 Знакомство с устройством микроскопа типа МБР-3

1.1 Устройство биологического микроскопа МБР-3

Основными системами микроскопа являются: механическая, оптическая и осветительная (рисунок 1).

1 – основание; 2 – коробка с микрометрическим механизмом; 3 – тубусодержатель; 4 – рукоятка макрометрического винта; 5 – окуляры; 6 – тубусы; 7 – бинокулярная насадка; 8 – головка; 9 – стопорный винт, фиксирующий насадку; 10 – револьвер; 11 – объективы; 12 – отверстие на предметном столике; 13 – предметный столик; 14 – рукоятка для перемещения верхней части столика; 15 – рукоятка препаратоводителя; 16 – винт конденсора; 17 – конденсор; 18 – апертурная диафрагма; 19 – стопорный винт столика; 20 – рукоятка конденсора; 21 – подвижное зеркало; 22 – рукоятка микрометрического винта.

Рисунок 1 – Общий вид микроскопа МБР – 3

Механическая система служит для фиксации и перемещения различных приспособлений. В ее состав входит несколько частей. Массивное основание микроскопа 1 (рисунок 1), или подставка, имеющее подковообразную форму, обеспечивает прибору необходимую устойчивость на поверхности рабочего стола. К основанию прикреплена коробка с микрометрическим механизмом 2, с которой подвижно соединен тубусодержатель 3. К тубусодержателю присоединяется головка 8, в гнезде которой с помощью стопорного винта 9 подвижно фиксирована бинокулярная насадка 7 с тубусами 6. Снизу головки 8 прикреплена револьверная пластинка 10, или револьвер, в гнезда которой ввинчиваются объективы.

Столик микроскопа 13, или предметный столик, имеющий круглую форму и отверстие 12 в середине, служит для размещения изучаемого объекта – микропрепарата, который фиксируется с помощью зажима и перемещается с помощью рукоятки препаратоводителя 15. Верхняя часть столика представляет собой вращающийся диск, который с помощью рукоятки 14, можно плавно передвигать в горизонтальной плоскости. Однако пользоваться этим механизмом следует лишь при работе с объективами большого увеличения. Кроме того, при обычной работе следует избегать вращения диска, поэтому его закрепляют с помощью специального стопорного винта столика 19. На боковой поверхности тубусодержателя 3 находится рукоятка макрометрического винта 4, вращая которую можно быстро опускать и поднимать тубусодержатель (вместе с тубусами) и таким образом осуществлять грубую фокусировку. Рядом с этой рукояткой (на боковой поверхности коробки 2) находится рукоятка микрометрического винта 22, при вращении которой можно плавно поднимать и опускать предметный столик и таким образом осуществлять точную фокусировку. Микрометрическим механизмом следует пользоваться лишь при работе с сильными объективами. Ближе к передней поверхности коробки 2 находится рукоятка конденсатора 20, с помощью которой опускают и поднимают конденсор, имеющий отношение к осветительной системе микроскопа.

Оптическая система служит для получения увеличенного изображения исследуемого материала и состоит из окуляров 5, вставленных в отверстия тубусов, и объективов 11, ввинченных в гнезда револьверной пластинки. В практической работе студентов обычно используются окуляры, дающие увеличение в 7, 10, 15 раз (х 7, х 10, х 15), а также объектив малого увеличения (х 8), большого увеличения (х 40) и иммерсионный объектив (х 90). Общее увеличение микроскопа при той или иной комбинации окуляра и объектива равно произведению увеличений каждого из них. Например, комбинация окуляра х 10 и объектива х 40 дает общее увеличение микроскопа в 400 раз.

Осветительная система служит для направления световых лучей на исследуемый объект и состоит из подвижного зеркала 21 и конденсора 17, который фиксируется с помощью винта 16. Вращением зеркала, имеющего две поверхности (плоскую и вогнутую), световые лучи направляются в конденсор, представляющий собой систему линз, собирающих лучи и направляющих их в объектив (через отверстие в предметном столике и исследуемый объект). При недостаточно ярком источнике освещения (например, применяя искусственный свет) следует пользоваться вогнутой поверхностью зеркала, которая сильнее концентрирует лучи света. Конденсор снабжен апертурной диафрагмой 18, вмонтированной в его нижнюю часть, которая также помогает регулировать освещенность объекта исследования. Это достигается перемещением специальной ручки, меняющей величину отверстия диафрагмы и таким образом регулирующей величину проходящего через нее светового потока. Кроме того, интенсивность освещенности объекта можно регулировать перемещением конденсора вверх и вниз с помощью рукоятки 20. При перемещении конденсора вверх освещенность объекта увеличивается, при перемещении вниз – уменьшается [1, 7, 12].