§ 1. Біологія – комплексна наука про живу природу. Рівні організації біологічних систем. Основні методи біологічних досліджень

Пригадайте, що таке біологічні системи. Які ознаки притаманні рослинам, грибам, бактеріям і тваринам? За допомогою яких методів досліджують одноклітинні та багатоклітинні організми? Що таке популяція, екосистема, колообіг речовин?

Біологія — комплексна наука про живу природу. Ви вже знаєте, що біологія досліджує різні прояви життя. Як самостійна природнича наука біологія зародилася ще до нашої ери (пригадайте, які вчені стояли біля її витоків), а її назву запропонували 1802 року незалежно один від одного французький учений Жан-Батіст Ламарк і німецький – Готфрід Рейнхольд Тревіранус (мал. 1).

Протягом попередніх років навчання у школі ви вже ознайомилися з основами таких біологічних наук, як ботаніка, мікологія, зоологія, анатомія й фізіологія людини та ін. Цього навчального року ви дізнаєтеся про досягнення інших біологічних наук: біохімії, цитології, вірусології, біології індивідуального розвитку, генетики, екології, еволюційного вчення тощо (мал. 2). Дані цих і багатьох інших біологічних наук дають змогу вивчати закономірності, притаманні всім живим організмам.

Протягом попередніх років ви також ознайомилися з основними властивостями живої матерії на прикладі бактерій, рослин, грибів, тварин та організму людини. Узагальнимо їх.

Мал. 1. 1. Жан-Батіст Ламарк (1744-1829). 2. Готфрід Рейнхольд Тревіранус (1766-1837)

Живі організми – це цілісні біологічні системи, здатні до самооновлення, саморегуляції та самовідтворення.

Клітина є елементарною одиницею будови, життєдіяльності та розвитку живої матерії.

Активізуйте свої знання

Кожна жива істота, або організм, складається з окремих часточок – клітин.

Організми відрізняються від тіл неживої природи співвідношенням хімічних елементів, що входять до їхнього складу (у складі всіх живих істот переважають чотири хімічні елементи: Гідроген, Карбон, Нітроген та Оксиген).

Живій матерії притаманний обмін речовинами та енергією з навколишнім середовищем. Отже, будь-який організм є відкритою системою.

Кожна біологічна система здатна до саморегуляції. Це найголовніша умова підтримання гомеостазу.

Характерна риса організмів – здатність до рухів.

Живій матерії притаманна подразливість – здатність сприймати подразники зовнішнього та внутрішнього середовища й певним чином на них реагувати.

Усім біологічним системам притаманна здатність до самовідтворення, або розмноження.

Організми здатні також до росту та розвитку. Завдяки росту вони збільшують свої розміри та масу. Розвиток – це якісні зміни, пов’язані з набуттям нових рис будови та особливостей функціонування.

Біологічні системи здатні до адаптацій. Нагадаємо, що адаптаціями називають виникнення пристосувань у живих систем у відповідь на зміни, які відбуваються в зовнішньому чи внутрішньому середовищах.

Мал. 2. Коротка характеристика основних біологічних наук.

Завдання. Поміркуйте, які з біологічних наук, зазначених на схемі, найбільше пов’язані між собою

Рівні організації живої матерії. Жива матерія може перебувати на різних рівнях організації, що поступово сформувалися у процесі еволюції: молекулярному, клітинному, організмовому, популяційно-видовому, екосистемному й біосферному (мал. 3).

На молекулярному рівні відбуваються біохімічні процеси й перетворення енергії в біологічних системах, а також зберігається, змінюється і реалізується спадкова інформація. На молекулярному рівні існують елементарні біологічні системи, наприклад віруси. Цей рівень організації живої матерії досліджують молекулярна біологія, біохімія, генетика, вірусологія.

Клітинний рівень характеризується тим, що клітина – це біологічна система, здатна до самостійного функціонування та самовідтворення. У кожній клітині як одноклітинних, так і багатоклітинних організмів відбувається обмін речовин і перетворення енергії, зберігається та реалізується спадкова інформація. Клітини здатні до розмноження. Клітинний рівень організації живої матерії вивчають цитологія, гістологія.

Організмовий рівень. У багатоклітинних організмів під час індивідуального розвитку клітини спеціалізуються за будовою та виконуваними функціями, часто формуючи тканини. З тканин формуються органи. Різні органи взаємодіють між собою в процесі обміну речовин та перетворення енергії, формуючи системи органів. Цим забезпечується функціонування цілісного організму як інтегрованої біологічної системи (в одноклітинних організмів організмовий рівень організації збігається з клітинним). Організмовий рівень організації живої матерії вивчає багато наук: ботаніка, зоологія, мікологія, бактеріологія та ін.

Популяційно-видовий рівень. Усі організми належать до певних біологічних видів. Організми одного виду мають спільні особливості будови та процесів життєдіяльності, подібні екологічні вимоги до середовища життя. Вони здатні залишати плодючих нащадків. Сукупність особин одного виду, що тривалий час існує більш або менш відокремлено від інших подібних угруповань цього виду, утворює популяцію.

Екосистемний рівень. Популяції різних видів, які населяють спільну територію, взаємодіють між собою та із чинниками неживої природи, входять до складу надвидових біологічних систем – екосистем. Для екосистемного рівня характерні постійні потоки енергії між популяціями різних видів, а також постійний обмін речовиною між живою та неживою частинами екосистем, тобто колообіг речовин.

Біосферний рівень. Усі екосистеми нашої планети разом утворюють біосферу – частину оболонок Землі, населених живими організмами. Біосфера становить єдину глобальну екосистему нашої планети. Надорганізмові рівні організації живої матерії – популяції, екосистеми та біосферу в цілому – вивчає екологія.

Основні методи біологічних досліджень. Живу матерію на різних рівнях організації досліджують також різними методами. Основні з них – порівняльно-описовий, експериментальний, моніторинг і моделювання.

Мал. 3. Рівні організації живої матерії: 1 – молекулярний (відбуваються біохімічні реакції, кодується спадкова інформація); 2 – клітинний (клітини складаються з молекул); 3 – організмовий (багатоклітинні організми складаються з клітин); 4 – популяційно-видовий (популяції складаються з окремих особин, а види – з популяцій); 5 – екосистемний (екосистеми складаються з різних видів); 6 – біосферний (біосфера – сукупність усіх екосистем планети)

Рівні організації життя – ієрархічно підпорядковані рівні організації біологічних систем, що відображають ступінь їх ускладнення в процесі еволюції. Усі рівні організації живої матерії взаємопов’язані між собою: нижчі рівні організації живої матерії входять до складу вищих

Цікаво знати

Під час проведення палеонтологічних досліджень учені часто виявляють лише окремі кістки (або навіть фрагменти кісток) тварин, які мешкали в колишні геологічні епохи. Використовуючи сучасні комп’ютерні технології, учені можуть створювати повні 3D моделі таких істот.

Порівняльно-описовий метод започаткував видатний давньогрецький учений Арістотель. Ним користуються, описуючи нові для науки види організмів, процеси чи явища. Однак часто замало просто описати новий вид організмів, процес, явище тощо. Щоб установити своєрідність об’єкта досліджень, процесу або явища, їх потрібно порівняти з іншими подібними об’єктами, процесами чи явищами. Наприклад, відкриття нових для науки видів неможливе без аналізу їхньої подібності та відмінностей від близьких форм. Порівняння об’єктів дослідження можливе лише в межах певного рівня організації (наприклад, порівняння певної молекули з іншими молекулами, клітини з іншими клітинами, виду з іншими видами тощо).

Експериментальний метод полягає в тому, що дослідники активно втручаються в будову об’єктів досліджень, перебіг різних процесів, явищ і спостерігають наслідки такого втручання. Експерименти бувають польові та лабораторні. Польові експерименти здійснюють у природних умовах: наприклад, на експериментальних ділянках вивчають дію певних речовин на ріст рослин, випробовують заходи боротьби зі шкідниками, досліджують вплив господарської діяльності людини на природні екосистеми тощо. Лабораторні експерименти проводять у спеціально обладнаних приміщеннях (лабораторіях). У таких дослідженнях часто використовують піддослідні організми, яких учені штучно розводять та утримують.

Моніторинг – постійне стеження за перебігом певних процесів в окремих популяціях, екосистемах, біосфері в цілому чи за станом певних біологічних об’єктів. Моніторинг дає змогу визначати стан певних об’єктів, популяцій, екосистеми та біосфери в цілому, прогнозувати можливі негативні зміни, аналізувати їхні наслідки і своєчасно розробляти заходи щодо їхньої охорони.

Наприклад, здійснюючи моніторинг умісту карбон(ІV) оксиду (вуглекислого газу) в атмосфері, можна припустити, як це впливатиме на зміни клімату нашої планети.

Моделювання – метод дослідження та демонстрування структур, функцій, процесів за допомогою їхньої спрощеної імітації (мал. 4). Моделювання є обов’язковим етапом багатьох наукових досліджень, бо дає змогу вивчати об’єкти та процеси, які неможливо безпосередньо спостерігати чи відтворювати експериментально. За допомогою моделювання вчені прогнозують можливі наслідки різних процесів або явищ, створюють певні ідеальні об’єкти чи явища й порівнюють з ними реальні. Результати, отримані за допомогою згаданих методів, обробляють, використовуючи математично-статистичний аналіз.

Математичне моделювання в біології – сукупність математичних методів аналізу складних кількісних взаємозв’язків і закономірностей у біологічних системах. Його здійснюють за допомогою комп’ютерної техніки, яка дає змогу зберігати величезні обсяги інформації і швидко їх обробляти з використанням спеціальних програм. За допомогою математичного моделювання, наприклад, можна вивчати взаємозв’язки організмів у екосистемах (як-от, залежність чисельності популяції рослиноїдної тварини від чисельності популяції хижака, залежність змін чисельності популяцій від кліматичних змін чи впливу діяльності людини).

Мал. 4. 1 – фрагмент нижньої щелепи хижого динозавра мегалозавра, який пересувався на задніх кінцівках (жили в середині юрського періоду (181—169 млн років тому); частини скелетів знайдені в Англії, Франції та Португалії); 2 – стегнова кістка мегалозавра; 3 – один з етапів створення тривимірної моделі мегалозавра; 4 – відтворений вигляд мегалозавра

Статистичний метод. Маса зібраних фактів, не оброблених статистично, всебічно не проаналізованих, не дає змоги виявити всю інформацію, яка в цих фактах міститься, встановити певні закономірності. Математична обробка потрібна для визначення ступеня достовірності отриманих результатів і правильного їхнього узагальнення. Застосування математично-статистичних методів визначило перетворення біології з описової науки на точну, яка базується на чіткому математичному аналізі одержаних даних.

Статистично достовірну закономірність у біології можна вважати правилом або науковим законом. Біологічні закони – закономірності, що зазвичай не мають винятків і можуть тлумачитись лише певним чином (пригадайте закони, які ви вивчали з інших предметів). Із часом ви ознайомитеся з основними біологічними законами, зокрема екологічними та законами спадковості.

Значення біології у житті людини. Біологія нині відіграє надзвичайно важливу роль в існуванні людського суспільства. Результати біологічних досліджень потрібні для:

• збереження здоров’я людини, а також лікування та профілактики захворювань свійських тварин;
• забезпечення людини продовольством;
• збереження та поліпшення навколишнього природного середовища й раціонального використання природних ресурсів.

За участі вчених-біологів досягнуто значного прогресу у своєчасному діагностуванні різноманітних захворювань людини, свійських тварин і культурних рослин, їхній профілактиці та лікуванні. Так, використовуючи біологічно активні речовини, які виробляють різноманітні організми, дослідники створюють сучасні ефективні ліки – антибіотики, гормони тощо. Для цього застосовують такі методи, як генетична (генна) та клітинна інженерія. Сучасні дослідження в галузі молекулярної біології та генетики дали змогу розшифрувати склад генетичної інформації багатьох організмів і визначити, де у молекулах ДНК розташовані ті чи інші гени, а також з’ясувати їхні функції. Це може допомогти виявляти дефектні гени, які спричиняють спадкові захворювання, та замінювати їх на нормальні копії.

Біологія – наука, покликана своїми дослідженнями переконати людей у важливості дбайливого ставлення до природи, потребі жити за її законами, не намагаючись їх змінити в будь-який спосіб. Сучасна екологія є теоретичною базою для охорони навколишнього природного середовища. Завдяки досягненням у галузі біотехнології створено сучасні методики, які дають змогу використовувати різні види мікроорганізмів для очищення навколишнього середовища від забруднення.

Біологія має тісні зв’язки з іншими природничими та гуманітарними науками (мал. 5).

Біологію недаремно називають провідною наукою XXI ст. Без сучасних досягнень біології неможливий прогрес аграрних наук, охорони здоров’я, біотехнології тощо. Утім, хоча біологія і досягла значних успіхів у вивченні живої природи, перед нею ще багато невирішених проблем. Можливо, саме вам пощастить розкрити невідомі таємниці життя на нашій планеті.

Мал. 5. Приклади взаємозв’язків біології з іншими науками. Завдання. Використовуючи різні джерела інформації, доповніть схему

Коротко про головне

Біологія – комплекс наук, які досліджують різні прояви життя. Сучасна біологія має тісні зв’язки як з іншими природничими науками, так і з гуманітарними.

Жива матерія може перебувати на різних рівнях організації: молекулярному, клітинному, організмовому, популяційно-видовому, екосистемному і біосферному. Усі рівні організації живої матерії взаємопов’язані між собою.

Живу матерію на тих чи інших рівнях організації досліджують різними методами: порівняльно-описовим, експериментальним, за допомогою моніторингу та моделювання.

Отримані внаслідок досліджень результати обробляють за допомогою математично-статистичного аналізу.

Ключові терміни та поняття: біологія, рівні організації живої матерії, моніторинг, описовий та експериментальний методи, моделювання.

Перевірте здобуті знання

1. Хто і коли запропонував термін «біологія»? 2. Які основні біологічні науки ви знаєте? 3. З якими іншими науками взаємодіє біологія? 4. Яке значення біології для існування людського суспільства? 5. Які ви знаєте рівні організації живої матерії? 6. Які ви знаєте методи досліджень у біології?

Поміркуйте

1. Які винаходи людства сприяли розвитку біології? 2. Чим можна пояснити різноманітність рівнів організації живої матерії?

Обговоріть у групах

Використовуючи різноманітні джерела інформації, схарактеризуйте основні етапи розвитку біології.

ТЕСТ НА ЗАКРІПЛЕННЯ ЗНАНЬ

Виберіть із запропонованих відповідей правильну

1. Назвіть прізвища вчених, які запропонували термін «біологія»: а) К. Лінней і Ж.-Б. Ламарк; б) Т. Шванн і М. Шлейден; в) Ж.-Б. Ламарк і Г.Р. Тревіранус; г) Ч. Дарвін і К. Бер.

2. Укажіть, як називають здатність біологічних систем зберігати відносну сталість складу та властивостей свого внутрішнього середовища: а) фагоцитоз; б) метаболізм; в) гомеостаз; г) адаптація.

3. Укажіть біологічні системи, які перебувають на молекулярному рівні організації живої матерії: а) гриби; б) рослини; в) ціанобактерії; г) віруси.

4. Визначте найвищий рівень організації живої матерії: а) популяційно-видовий; б) біосферний; в) організмовий; г) екосистемний.

5. Назвіть метод, який учені застосовують, описуючи нові види: а) експериментальний; б) порівняльно-описовий; в) математичне моделювання; г) екологічний моніторинг.

6. Назвіть біологічні системи, яким властивий організмовий рівень організації живої матерії: а) екосистеми; б) дріжджі; в) популяції; г) віруси.

7. Назвіть біологічні системи, які належать до надорганізмових біологічних систем: а) вольвокс; б) віруси; в) популяції; г) форамініфери.

Утворіть логічні пари

8. Установіть відповідність між об’єктами, процесами та явищами й рівнями організації живої матерії, яким вони відповідають.

• 1 поділ клітини
• 2 глобальний колообіг речовин
• 3 жаба гостроморда
• 4 вірус імунодефіциту людини (ВІЛ)
• А молекулярний
• Б клітинний
• В організмовий
• Г екосистемний
• Д біосферний

Запитання з відкритою відповіддю

9. Що спільного та відмінного в будові та функціонуванні клітин одноклітинних організмів і клітин, які входять до складу тих чи інших тканин?

10. Що спільного та відмінного в проявах подразливості в багатоклітинних рослин і багатоклітинних тварин?

Важливість вивчення біології як науки про життя

Біологія справді дивовижна, оскільки це наука про життя, а отже, предмет, який стосується кожної людини. Багато з нас постійно захоплюються людьми як видом, зокрема тим, які природні причини призвели до появи людства. Біологія досліджує такі дива життя, як народження людини, її ріст і розвиток, але також привертає увагу до небезпеки таких речовин, як наркотики, і пояснює їх вплив на організм.

Тому біологія – це дуже хороший предмет про людське тіло, про те, як воно функціонує і як його захистити. На уроках біології учні не лише дізнаються про анатомію людини, вони також краще уявлятимуть наше місце у навколишньому середовищі, вивчать, як організми покладаються один на одного, щоб співіснувати на нашій планеті, а також дізнаються про природний ланцюг харчування, навчившись відрізняти хижаків від здобичі.

Якщо після всього прочитаного вище ви вже надихнулися зайнятися уроками біології, то продовжуйте читати, щоб дізнатися, чого ще можна очікувати від цього предмету!

Що ви вивчаєте, коли вивчаєте біологію?

Оскільки на юних біологів чекає багато тестів і експериментів, вони отримають багато практичних навичок, а також неймовірний досвід, виконуючи лабораторні роботи. Учнів зазвичай заохочують не лише вивчати, як працює біологія, а й як можна використовувати елементи наукового підходу для вирішення різних проблем.

Незалежно від того, наскільки ви добре володієте предметом, курс біології розширить ваші знання про біологічні концепції, виділить деякі з найбільших наукових проривів і стане чудовим полем, на якому можна обрати величезну кількість кар’єр. В процесі ви також вивчите цілий стос корисної наукової лексики.

До того ж біологія навчає учнів багатьох основних уроків про життя, наприклад, як дотримуватися особистої гігієни, як змінюється організм з віком і що відбувається з частинами тіла під час зловживання наркотиками або алкоголем і багато-багато іншого.

Як і інші науки, біологія може стати основою для кар’єри в галузі охорони здоров’я або науки як такої, проте вона також корисна для багатьох інших сфер. Фармацевти, доглядачі зоопарків, мікробіологи та багато інших фахівців отримають користь від вивченого матеріалу з курсу біології у професійному житті.

Не забувайте, що вам не обов’язково робити кар’єру в медицині, ви можете вирішити стати вчителем природничих наук або навіть бути письменником з вузькою спеціалізацією у галузі біології. Крім того, біологія може бути корисною, якщо ви працюватимете у компанії, пов’язаній з їжею чи напоями, оскільки ви вже знатимете про харчові ферменти та процеси бродіння.

Як біологія наводить лад у повсякденному житті

Не потрібно бути студентом-біологом або вченим-експертом, щоб біологія зайняла вагоме місце у вашому житті, адже наука, і в тому числі біологія, оточує нас всюди! Хоча багато людей асоціюють науку з чимось, що відбувається у високотехнологічних лабораторіях, правда полягає в тому, що біологічні процеси та знахідки в цій галузі впливають на наше повсякденне існування і, певною мірою, допомагають нам жити. Біологія навіть має спільні зв’язки із творчістю та мистецтвом!

Якщо ви все ще не вірите, уявіть собі життя без продуктів, чистого одягу, опалення та інших зручностей. Так, все вірно, на всі ці нормальні частини життя певним чином впливають наукові інновації. Давайте подивимося конкретно на те, як біологія відіграє свою роль у формуванні нашого повсякденного життя.

Біологія та харчування

Їжа необхідна для життя. Не тому, що нам вона просто подобається, а тому, що це паливо, яке допомагає нашим тілам функціонувати.

Як ви, безсумнівно, знаєте, деякі продукти є більш корисними, ніж інші, але навіть основні продукти в нашому продуктовому кошику не були б там, якби не біологічні процеси.

Візьмемо, наприклад, молоко і хліб. Коли ви сідаєте снідати перед школою, чи дивуєтесь ви, як молоко, яке ви додаєте до каші, потрапляє у пляшки, або як з борошна у підсумку виходить хліб, на який ви намазуєте масло й варення?

Щоб ми могли щодня ласувати свіжою випічкою, дріжджі мають попрацювати. Фото: Unsplash

Для того, щоб корови виробляли молоко, яке є таким важливим для нашого раціону, вони, у свою чергу, повинні бути здоровими та харчуватися поживними рослинами. За пишні луки з запашною травою ми маємо подякувати фотосинтезу. Перегляньте тут коротке відео про цей важливий процес та досліди, які можна провести.

Мабуть, уже також зрозуміло, що виробництво молока певною мірою залежить від біології, тому що, щоб отримувати необхідну кількість молока з дійної корови, тварина повинна народжувати принаймні одне теля на рік. Після того, як дійна корова «пропрацює» близько трьох років, її вибраковують, звільняють, а м’ясо використовують для виробництва яловичини, яку потім ми знаходимо у наших м’ясних магазинах і супермаркетах.

А якщо говорити про найсакральнішу, на нашу думку, їжу – хліб, – то саме біологічний процес бродіння робить із тіста смачну пшеничну паляничку.

Під час приготування хліба пекарі використовують дріжджі для вироблення вуглекислого газу, необхідного для «підняття» тіста, тобто збільшення його об’єму. Дріжджі — це одноклітинний мікроскопічний гриб, який харчується цукром і є необхідним у процесі приготування хліба. Позаяк вони також використовуються для приготування алкоголю. Таким чином, біотехнологія має великий вплив на те, як і що ми їмо та п’ємо.