Систе́мная биоло́гия — научная дисциплина, образовавшаяся на стыке биологии и теории сложных систем. Впервые термин используется в статье 1993 года авторов W. Zieglgänsberger и TR. Tölle [1].

Является междисциплинарной наукой о жизни. Направлена на изучение сложных взаимодействий в живых системах. Использует новый подход в биологии: холизм вместо редукционизма. Основное внимание в системной биологии уделяется так называемым эмерджентным свойствам, то есть свойствам биологических систем, которые невозможно объяснить только с точки зрения свойств ее компонентов. Таким образом задачами системной биологии являются исследование и моделирование свойств сложных биологических систем, которые нельзя объяснить суммой свойств ее составляющих.

Широкое распространение термин «системная биология» получил после 2000-го года.

Системная биология имеет связь с математической биологией.

1. Значения

Системная биология может пониматься как:

Область исследований, посвященная изучению взаимодействий между составляющими биологических систем, и как эти взаимодействия приводят к появлению функций и характеристик систем (например, взаимодействие метаболитов и ферментов в метаболических системах).

Научная парадигма, противопоставляемая так называемой редукционистской парадигме в изучении сложных биологических систем, однако полностью соответствующая научному методу познания[2][3].

Набор исследовательских протоколов, а именно, цикл исследований, состоящий из теории, аналитического или компьютерного моделирования для формулировки гипотез о системе, экспериментальной проверки, и затем использование полученных данных для описания клетки или клеточных процессов для улучшения компьютерной модели или теории[4]. Поскольку целью является модель взаимодействий в сложной системе, экспериментальные методики, которые используются в системной биологии должны быть наиболее детальными. По этой причине для верификации моделей используются такие методики как транскриптомика, метаболомика, протеомика и другие высокопроизводительные технологии для сбора численных данных.

Применение теории динамических систем к биологическим системам.
Соционаучный феномен, определяемый как стремление к интеграции сложных данных о взаимодействиях в биологических системах, полученных из различных экспериментальных источников, используя междисциплинарные методы.

Различие в понимании системной биологии объясняется тем фактом, что данное понятие относится скорее к совокупности пересекающихся концепций, чем к одному строго определенному направлению. Несмотря на различие в понимании целей и методов системной биологии, термин широко используется исследователями, в том числе как часть названий научных подразделений и целых институтов по всему миру.

2. История

Предпосылками появления системной биологии являются:

Количественное моделирование ферментативной кинетики — направление, формировавшееся между 1900 и 1970 годами,
Математическое моделирование роста популяций,
Моделирование в нейрофизиологии,
Теория динамических систем и кибернетика.

Пионером системной биологии можно считать Людвига Фон Бeрталанфи, создателя общей теорией систем, автора книги «Общая теория систем в физике и биологии», опубликованной в 1950 году. Одной из первых численных моделей в биологии является модель британских нейрофизиологов и лауреатов нобелевской премии Ходжкина и Хаксли, опубликованной в 1952 году. Авторы создали математическую модель, объясняющую распространение потенциала действия вдоль аксона нейрона[5]. Их модель описывала механизм распространения потенциала как взаимодействие между двумя различными молекулярными компонентами: каналами для калия и натрия, что можно расценить как начало вычислительной системной биологии[6]. В 1960 году на основе модели Ходжкина и Хаксли Денис Нобл создал первую компьютерную модель сердечного водителя ритма[7].

Формально первая работа по системной биологии, как самостоятельной дисциплине, была представлена системным теоретиком Михайло Месарович в 1966 году на международном симпозиуме в Институте технологии в Кливленде (США, штат Огайо) под названием «Системная теория и биология».[8][9]

В 60-х, 70-х годах двадцатого века был разработан ряд подходов для изучения сложных молекулярных систем, таких как теория контроля метаболизма и теория биохимических систем. Успехи молекулярной биологии в 80-х годах при некотором спаде интереса к теоретической биологии вообще, которая обещала больше, чем смогла достичь, привели к падению интереса к моделированию биологических систем.

Тем не менее, рождение функциональной геномики в 1990-х годах привело к доступности большого количества данных высокого качества, что совместно с бумом в развитии вычислительной техники, позволило создавать более реалистичные модели. В 1997 году группа Масару Томита опубликовала первую численную модель метаболизма целой (гипотетической) клетки. Термин «системная биология» может быть также найден в статье В. Зиглгансберга и Т. Толле, опубликованной в 1993 году. В течение 1990-х годов Б. Зенг создал ряд концепций, моделей и терминов: системная медицина (апрель 1992), системная биоинженерия (июнь 1994) и системная генетика (ноябрь 1994).

В течение 2000-х годов, когда создавались институты системной биологии в Сиэтле и Токио, системная биология вступила в полные права, будучи вовлеченной в различные геномные проекты, обрабатывая и интерпретируя данные из «-омик» (протеомика, метаболомика), помогая в интерпретации прочих высокопроизводительных экспериментов, включая биоинформатику. По состоянию на лето 2006 года в связи с нехваткой системных биологов[10] было создано несколько учебных центров по всему миру.

3. Экспериментальные методы системной биологии

Для верификации создаваемых моделей системная биология работает с самыми различными типами экспериментальных данных, описывающих как отдельные составляющие, так и систему в целом. Зачастую в качестве исходной информации для формулировки гипотез и выводов используются данные, полученные в других областях биологии: биохимии, биофизики, молекулярной биологии. Тем не менее, существует ряд специфичных методов, прочно ассоциируемых с системной биологией. Эти методы характеризует большое количество экспериментальных измерений, а также одновременное детектирование многих характеристик, что стало возможным с появлением автоматизированных потоковых методик экспериментов.

Примерами таких методов могут являться:

Геномика: высокопроизводительные методы сиквенирования ДНК, включая изучение вариабельности в различных клетках одного организма.
Эпигеномика/Эпигенетика: изучение факторов транскрипции, не кодируемых в ДНК (метилирование ДНК, и т. д.).
Транскриптомика: измерение экспрессии генов, используя ДНК-микрочипы и другие методы.
Интерферомика: измерение взаимодействия транскрибируемых РНК.
Протеомика/Транслатомика: измерение уровня белков или пептидов с использованием двумерного гель-электрофореза, масс-спектрометрии или многомерных методик измерения белков.
Метаболомика: измерение концентраций так называемых малых молекул, метаболитов.
Гликомика: измерение уровня углеводов.
Липидомика: измерение уровня липидов.

Кроме представленных методов измерения уровня молекул, существуют также более сложные методы, позволяющие измерять динамику характеристик во времени и взаимодействие между компонентами:

Интерактомика: измерение взаимодействий между молекулами (например, измерение белок-белковых взаимодействий: PPI).
Флаксомика: измерение динамики потоков и концентраций во времени (как правило метаболитов).
Биомика: системный анализ биома

Многие перечисленные методики в настоящее время все ещё активно развиваются как в направлении увеличения точности и информативности измерений, так и в способах численной обработки получаемых данных.

4. Инструменты системной биологии

Исследования в области системной биологии чаще всего заключаются в разработке механистической модели сложной биологической системы, то есть модели, сконструированной на основе количественных данных об элементарных процессах, составляющих систему[11][12].

Метаболический или сигнальный путь может быть описан математически на основе теорий ферментативной или химической кинетики. Для анализа полученных систем могут применяться математические методы нелинейной динамики, теории случайных процессов, либо использоваться теория управления.

Из за сложности объекта изучения, большого количества параметров, переменных и уравнений, описывающих биологическую систему, современная системная биология немыслима без использования компьютерных технологий. Компьютеры используются для решения систем нелинейных уравнений, изучения устойчивости и чувствительности системы, определения неизвестных параметров уравнений по экспериментальным данным. Новые компьютерные технологии оказывают существенное влияние на развитие системной биологии. В частности, использование исчисления процессов, автоматических средств поиска информации в публикациях, вычислительная лингвистика, разработка и наполнение общедоступных баз данных.

В рамках системной биологии ведется работа над созданием собственных программных средств для моделирования и универсальных языков для хранения и аннотации моделей. В качестве примера можно привести SBML, CellML (расширения XML для записи моделей), а также SBGN (язык графического представления структуры взаимодействий элементов биологических систем).

Примечания

The pharmacology of pain signalling. [Curr Opin Neurobiol. 1993] — PubMed result - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8219729
Sauer, U. et al. (27 April 2007). «Getting Closer to the Whole Picture». Science 316. DOI:10.1126/science.1142502 - dx.doi.org/10.1126/science.1142502. PMID 17463274 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17463274?dopt=Abstract.
The Music of Life: Biology beyond the genome. — Oxford University Press, 2006. — ISBN 978-0199295739 p21
Kholodenko B.N., Bruggeman F.J., Sauro H.M.; Alberghina L. and Westerhoff H.V.(Eds.) (2005.). "Mechanistic and modular approaches to modeling and inference of cellular regulatory networks". Systems Biology: Definitions and Perspectives, Springer-Verlag.
Hodgkin AL, Huxley AF (1952). «A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve». J Physiol 117 (4): 500–544. PMID 12991237 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12991237?dopt=Abstract.
Le Novere (2007). «The long journey to a Systems Biology of neuronal function». BMC Systems Biology 1. DOI:10.1186/1752-0509-1-28 - dx.doi.org/10.1186/1752-0509-1-28. PMID 17567903 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17567903?dopt=Abstract.
Noble D (1960). «Cardiac action and pacemaker potentials based on the Hodgkin-Huxley equations». Nature 188: 495–497. DOI:10.1038/188495b0 - dx.doi.org/10.1038/188495b0. PMID 13729365 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/13729365?dopt=Abstract.
Mesarovic M. D. Systems Theory and Biology. — Springer-Verlag, 1968.
«A Means Toward a New Holism - www.jstor.org/view/00368075/ap004022/00a00220/0». Science 161 (3836): 34–35. DOI:10.1126/science.161.3836.34 - dx.doi.org/10.1126/science.161.3836.34.
Working the Systems - sciencecareers.sciencemag.org/career_development/previous_issues/articles/2006_03_03/working_the_systems/(parent)/158.
Gardner, TS; di Bernardo D, Lorenz D and Collins JJ (4 July 2003). «Inferring genetic networks and identifying compound of action via expression profiling». Science 301: 102–1005. DOI:10.1126/science.1081900 - dx.doi.org/10.1126/science.1081900. PMID 12843395 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12843395?dopt=Abstract.
di Bernardo, D; Thompson MJ, Gardner TS, Chobot SE, Eastwood EL, Wojtovich AP, Elliot SJ, Schaus SE and Collins JJ (March 2005). «Chemogenomic profiling on a genome-wide scale using reverse-engineered gene networks». Nature Biotechnology 23: 377–383. DOI:10.1038/nbt1075 - dx.doi.org/10.1038/nbt1075. PMID 15765094 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15765094?dopt=Abstract.

wreferat.baza-referat.ru

Реферат - Системный анализ в биологии

Системный анализ – это научная дисциплина, в которой изучаются проблемы принятия обоснованных решений относительно сложных систем. Под решением здесь понимается некоторый формализованный или неформализованный выбор одного из возможных вариантов достижения цели. Системный анализ, в частности, дает методики принятия решений, позволяющие целенаправленно отыскивать приемлемые решения, отбрасывая те из них, которые заведомо уступают другим.

Системный анализ возник в ответ на требования практики, поставившей нас перед необходимостью изучать и проектировать сложные системы, управлять ими в условиях неполноты информации, ограниченности ресурсов, дефицита времени.[1]

Хотя хронология науки относит момент зарождения теории систем и системного анализа (ТССА) к средине текущего столетия, тем не менее, можно понять, что ее возраст оставляет ровно столько, сколько существует Homo Sapiens.

Другое дело, что по мере развитие науки, прежде всего — кибернетики, эта отрасль прикладной науки сформировалась в самостоятельный раздел. Ветви ТССА прослеживаются во всех “ведомственных кибернетиках”: биологической, медицинской, технической и экономической. В каждом случае объекты, составляющие систему, могут быть самого широкого диапазона — от живых существ в биологии до механизмов, компьютеров или каналов связи в технике. [2]

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

Неудовлетворенность общим состоянием биологической теории не раз побуждала исследователей (и не только биологов по специальности) к попыткам построить различные варианты теоретической биологии или хотя бы наметить пути построения этой дисциплины. У авторов этих попыток нет единства в том, какой же должна быть теоретическая биология — должна ли она строиться по аналогии с теоретической физикой, или иметь явно выраженный математический характер («математическая биология»), или же она должна появиться в результате органического синтеза теории эволюции и теории наследственности. Сходятся они, пожалуй, лишь в одном — вследствие чрезвычайной сложности и многоуровневости явлений жизни раскрыть ее глубинные основы, ее специфику невозможно усилиями одних биологов; здесь необходим комплексный, междисциплинарный подход, использование принципов и методов различных наук.

Несмотря на всю важность и плодотворность предпринятых усилий, явным успехом они до сих пор не увенчались. В арсенале научных дисциплин теоретическая биология в настоящее время отсутствует, и вряд ли сегодня можно с достаточной уверенностью очертить ее будущие контуры. Однако создание такой дисциплины — едва ли не самая важная из задач, стоящих ныне перед мировой наукой. Одни лишь экспериментальные исследования не раскроют загадку жизни, если в их основе не будет достаточно прочного теоретического фундамента. Интересная попытка обсудить пути построения теоретической биологии была предпринята недавно на совместном заседании — так называемом «Круглом столе» журналов «Вопросы философии» и «Журчала общей биологии». Эта встреча, как и можно было ожидать, выявила наличие значительных разногласий но обсуждаемому вопросу. Обнаружились не только сторонники, но и противники самого понятия «теоретическая биология». Один выступавшие были склонны отождествить предмет теоретической биологии с общей биологией, другие, противопоставляли последней «общую теорию жизни». Не было единства и в трактовке роли системных методов в развитии теоретической биологии: наряду с темп, для кого системные методы являются синонимом формального направления в разработке этой дисциплины, в дискуссии выступили и те, кто считает задачей системного подхода исследование содержательных проблем биологической теории.

Мы далеки от стремления прогнозировать пути развития теоретической биологии. Как бы ни были важны дискуссии но философско-методологическим вопросам той или иной науки, далеко не каждое теоретическое обобщение, высказанное в ходе этих дискуссий, органически включается в содержание данной научной дисциплины. Наука нередко ищет свои пути ощупью, и лишь на определенной стадии развития она обнаруживает неодолимую потребность в методологической рефлексии. Трудно сказать, наступила ли такая стадия в развитии современной биологии, взятой как целое. В то же время, как справедливо отмечалось в обзоре упомянутого «Круглого стола», опубликованном в журнале «Вопросы философии», «… каждый раз, когда исследователи сталкиваются с различными способами представления действительности, они вынуждены пересматривать основные предпосылки и перспективы познания, что, в частности, является пролегоменами и к построению теоретической биологии». Именно в связи с оценкой таких предпосылок являются важными попытки выработки новых подходов и понятийных средств описания явлений жизни, предпринимаемые в рамках системных исследований.

Отметим, что для исследователя, работающего в области методологии системного подхода, современные теоретические поиски в биологии представляют особый интерес. Движения в этих двух сферах научного знания испытывают взаимное влияние, иногда идут параллельно, иногда расходятся. Не ставя сейчас перед собой задачу подробно проанализировать эту связь, рассмотрим некоторые примеры использования системных принципов при разработке теоретических проблем биологии.

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ СИСТЕМ К БИОЛОГИИ

Один из вариантов применения системных идей к анализу формирования современной картины органического мира разработан К. М. Хайловым. С его точки зрения, это формирование прошло ряд этапов, в ходе которых выкристаллизовалось само понятие «биологическая система» и была построена системная картина жизни. При этом существенно отметить, что вплоть до начала XX в. основным и по сути дела единственным объектом биологического исследования был организм. В соответствии с этим на первое место в биологии выдвинулась проблема разнообразия и целесообразности организмов. Выявление сходства в пределах разнообразия и положило начало первому периоду систематизации живой природы, т. е. построения концептуальных моделей живых систем. Однако ранние натуралисты-систематики не знали никаких реальных связей между организмами — ни генетических связей близкородственных организмов (перенос генетического материала в пределах вида), ни филогенетических связей отдаленных видов, ни тем более биоценотических связей. Поэтому единственное, на чем могла базироваться систематизация, — это морфологическое сходство организмов. Таким образом, первые представления о «системе» вида (и соответственно вся система живой природы) строились по принципу, чуждому связям.

Но уже идея системы видов повлекла за собой значительные следствия. Если вид строился по принципу морфологического однообразия его элементов-индивидов, то система видов включала разнообразные элементы-виды. Наличие разнообразия видов привело к необходимости придать системе живой природы некоторый внутренний порядок. Виды были расположены по степени сложности, и это явилось интуитивным предвосхищением эволюционной идеи (поскольку такое расположение неизбежно должно было в общих чертах совпасть с эволюционным рядом). Развитие эволюционных представлений, базирующихся на принципе филогенетических связей растительных и животных организмов, привело к построению филогенетической системы живой природы.

Органический мир впервые предстал перед исследователями как множество элементов (видов) с вполне определенными межэлементными связями. Правда, пока был обнаружен лишь один из типов связей, но уже казалось, что основные черты картины живой природы установлены достаточно полно.

В действительности же, как отмечает К. М. Хайлов, эта картина была крайне неполна: во-первых, единственными ее элементами признавались индивид и вид — всего две из многих живых систем; во-вторых, ни индивид, ни вид сами не были изучены как живущие и функционирующие системы, т. е. как множество с разнообразием и актуальными связями элементов. Наконец, сама филогенетическая система видов построена не на актуальных (действующих) связях, а представляет собой как бы статический отпечаток уже совершившихся процессов развития. Поэтому из знания этой системы нельзя было вывести никаких представлений о таких существенных динамических свойствах живых систем, как внутреннее взаимодействие составляющих их элементов, регуляция, регенерация, устойчивость и т. п.

Возможность изучения вида как подлинно живущей и функционирующей системы открылась лишь с переходом от представлений о морфологическом однообразии организмов вида к представлениям о генетическом разнообразии особей вида; от идеи «вид — простое множество» к идее «вид — множество с межорганизменными генетическими связями». Исходным моментом явился здесь анализ актуальных генетических связей, т. е. скрещивания особей друг с другом. Единицей деления стала менделевская популяция, и вид выступил как максимальная менделевская популяция (что весьма существенно контрастировало с прежним пониманием вида, выработанным в рамках морфологического подхода). Это позволило впервые в истории биологии увидеть образовании неорганизменного уровня, обладающие рядом свойств живого организма (способность к адаптивным реакциям, сохранение устойчивости в определенных пределах, т. е. «целесообразное» поведение). Выделение связи определенного типа и вычленение на ее основе актуально генетической системы вида дало возможность построить, новую системную картину живой природы, в которой место элементарной единицы занимал уже не индивид, а вид. Идею организмоцентризма сменила идея видоцентризма.

Снова казалось, что биологическая реальность охвачена полностью. Однако в этой картине отсутствовали такие важные живые системы, как биоценозы — моновидовые и поливидовые сообщества организмов — и биогеоценозы (экосистемы). В отличие от организменной биологии классического периода в экологии, связь между экологическими элементами с самого начала стала предметом исследования. Как обнаружилось в начале XX в., эта связь выступает в двух различных формах — в форме связи разных организмов друг с другом и в форме связи организмов с факторами абиотической среды. Эти типы связи стали предметом двух взаимодополняющих направлений экологии — биоценологии и биогеоценологии.

Взаимосвязанное развитие всех современных направлений биологического исследования приводит к ряду важных методологических уточнений, касающихся существа системного подхода в биологии. Согласно К. М. Хайлову, системный подход отражает растущее понимание того, что современная биология имеет дело не с одним, а с целым рядом объектов и уровней организации, каждый из которых занимает не менее важное положение в органической природе, чем организм. Это, естественно, влечет за собой крушение идеи «центризма», какой бы то ни было одной системы при построении целостной системной картины живой природы. Наконец, обнаруживается, что системная организация жизни является столь же важным ее аспектом, как и эволюция.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ БИОСИСТЕМ

Перейдем теперь к характеристике концепции Л. Л. Малиновского. Ее автор подчеркивает, что в настоящее время в теоретической биологии пробивает себе дорогу новое научное направление, ставящее вопросы о типах взаимодействий, об основных движущих силах явлений без их детализации, о системах элементов иногда и без подробной характеристики самих элементов. Это направление пока еще окончательно не конституировалось и выступает под разными названиями: общая теория биосистем, учение о биологических структурах, биокибернетика и т. п. Оно изучает взаимодействие в организмах и рассматривает не отдельные клетки, ткани, виды пли биохимические процессы, а их связи.

Действительно, сравним таких животных, как мышь и кит. Разница в весе у них в 10 млн. раз, среда обитания и внешняя форма совершенно различны. Почти все процессы в организме мыши и кита различаются в количественном отношении, и все же план строения у них настолько общий, что их справедливо относят к одному классу млекопитающих. План строения настолько способствует приспособлению, что обеспечивает их жизнеспособность в чрезвычайно различных условиях и с очень разными количественными и отчасти качественными показателями. Этот пример хорошо иллюстрирует мысль Л. Л. Малиновского о том, что план строения и структура (архитектура) системы начинают становиться одной из центральных проблем теоретической биологии.

Это новое направление еще слишком молодо, чтобы можно было вынести окончательные суждения об его эффективности. Однако следует подчеркнуть, что лежащие в его основании идеи уже сейчас помогают по-новому взглянуть на некоторые важные теоретические и практические проблемы. Попробуем показать это на ряде примеров, приводимых самим Л. Л. Малиновским.

Подходя с изложенной точки зрения к наиболее общей классификации структуры биологических систем, автор выделяет два простейших крайних типа: дискретный, или корпускулярный, и жесткофиксированный. Системы первого типа в чистом виде состоят из единиц, практически не связанных друг с другом. Таковы особи одного вида и одного пола, клетки одной ткани, аллеломорфные парные гены; таковы же (с известными оговорками) и множественные органы в одном организме — пальцы на руках, зубы, однотипные дольки в печени и т. д… Как правило, само по себе объединение множества однотипных единиц в подобную систему лишь незначительно повышает уровень их общей организации, по такие системы нередко обладают большой приспособительной ценностью, поскольку они отличаются большой пластичностью. Составляющие их единицы сравнительно взаимно независимы и подвижны и в силу этого способны к разнообразным перемещениям и комбинаторике.

Противоположный тип систем характеризуется жесткофиксированными связями составляющих их звеньев, наличие или функция каждого из которых является необходимым условием функционирования всей системы.

Жесткость связей понимается здесь не в механическом, а в организационном смысле, предполагающем строгую согласованность функций системы. Так, например, согласованы между собой последовательно этапы в эмбриональном развитии глаза, где из первичной нервной пластинки развивается глазной бокал, который в свою очередь индуцирует развитие хрусталика, и т. д. В нашем организме жестко связаны и взаимно дополняют друг друга центральная нервная система, система кровообращения, система пищеварения, система выделения и др… Каждая из них необходима и не может быть заменена другой. Структуры такого типа могут весьма сильно повышать уровень организации систем по сравнению с тем, что имеется в отдельных составляющих их звеньях. Но в то же время такие системы оказываются гораздо менее гибкими и способными к перестройке, чем «корпускулярные» системы.

Нужно оговориться, что системы этих двух крайних типов в чистом виде встречаются очень редко. Но формы, близкие к ним настолько, что в них выявляются свойственные данным типам закономерности, достаточно часты. При этом при переходе от низших уровней, лежащих на грани молекулярной биологии, но все более высоким уровням—клеточному, тканевому, организменному, видовому и т. д.— обнаруживается довольно правильное чередование этих двух типов организации: парные хромосомы (корпускулярность), взаимное дополнение ядра и клетки (жесткое отношение), клетки одной ткани (корпускулярность), взаимное дополнение тканей (жесткое отношение), множественные органы или их части (корпускулярность), соотношение систем органов (жесткие отношения), особи одного пола (корпускулярность), взаимное дополнение полов (жесткое отношение) и т. д.

Это чередование нетрудно объяснить, если подойти к нему с точки зрения общих принципов структурной организации живых систем. Взаимодополняющие отношения звеньев внутри системы жесткого типа необходимы для повышения уровня организации и эффективности системы; однако они не обеспечивают необходимой гибкости и «живучести» системы. Поэтому такие жесткие системы дважды или многократно повторяются на следующем уровне, выступая уже как единицы корпускулярной системы. Этим обеспечивается и большая надежность, и количественная гибкость следующего уровня организации. Высокоразвитые системы в организме должны в какой-то степени отвечать требованиям разного рода: и гибкости, и экономичности, и координированности. Поскольку каждый тип простейших систем, обеспечивая один из этих свойств, автоматически исключает другие, постольку известные оптимальные сочетания. Достигаются чередованием обоих типов па разных уровнях организации.

Однако возможен и другой путь, обеспечивающий оптимальное совмещение «корпускулярности» и «жесткости». Это такое строение системы, когда на одном уровне совмещаются некоторые черты обоих типов. Так, для филогенеза очень важно, чтобы эволюционное изменение одного органа не отражалось бы па других. Например, даже благоприятное изменение глазного бокала с большой вероятностью может нарушить совершенство хрусталика. Такое положение очень затрудняет свободную эволюцию более ранних в индивидуальном развитии органов (в данном случае бокала). С другой стороны, та же зависимость хрусталика от бокала имеет и приспособительное значение: ею обеспечивается то, что хрусталик всегда возникает именно перед бокалом, как это требуется для полноценного развития глаза. Требования к координированному развитию приходят здесь в противоречие с требованиями к эволюционной независимости органов, которая обеспечила бы возможность совершенствования каждого органа, не нарушая совершенства другого. Если координация достигается последовательной связью А — В — С — D — Е, то эволюционно независимым здесь является лишь последнее звено, поскольку от его изменений не зависит ни один предыдущий орган. Для полной эволюционной независимости было бы идеальным, если бы каждый орган развивался совершенно самостоятельно. Система была бы корпускулярной, и новый вариант каждого органа мог бы в новых поколениях замещать старый, не влияя на другие органы.

Систему, оптимально совмещающую в себе оба достоинства крайних типов (независимость и координацию), А. А. Малиновский назвал «звездным» типом системы. Это такой тип, когда один орган А берет на себя прямую стимуляцию развития органов пли функции В и С и D и Е. Орган А оказывается тогда как бы в центре (разумеется, не в пространственно-геометрическом смысле, а остальные органы связаны с ним как луч со звездой. При таком типе взаимоотношении лишь один объединяющий другие признаки орган — наиболее ярко это выражено в системе желез внутренней секреции — оказывается эволюционно связанным, так как его изменение сразу отразилось бы на всех зависимых органах. И действительно, железы внутренней секреции чрезвычайно консервативны. Зато признаки, определяемые железой, все являются конечными в цепи зависимостей; поэтому они могут свободно эволюционировать и в результате резко различаются у разных видов. С гормоном половой железы у оленя связаны рога, у льва — грива, у птиц — характерное оперение и т. д. В то же время все признаки, определяемые одной железой, оказываются через нее тесно связанными между собой. Вокруг каждой железы группируются признаки одной и той же приспособительной направленности: вокруг половой — признаки, способствующие функции размножения, вокруг адреналовой системы — функции, мобилизующие возможности организма в острых ситуациях (бегство, борьба) и т. д.

Таким образом, в случае «звездной» связи онтогенетическая координация достигается почти максимально, как и в жесткой системе, а эволюционная гибкость теряется только для одного звена — для центрального органа, объединяющего все другие. Этот тип достаточно широко распространен в живых системах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы видим что уже выделение простейших типов организации живых существ помогает объяснить некоторые существенные особенности структуры и эволюции биологических организмов. Более того, из него вытекают и некоторые важные практические следствия. Одно из них базируется на представлении о корпускулярности механизма наследственности, т. е. той дискретности передачи наследственных признаков, которую противники генетики ставили в упрек этой науке. Известно, что в борьбе с вредителями и инфекциями обычно применяются антибиотики или инсектициды. Часто, применяя определенный инсектицид, получают среди уничтожаемых насекомых устойчивую к нему расу. Тогда приходится переходить к другому инсектициду и т. д. Таким образом, идет бесконечная борьба с перевесом, пожалуй, на стороне не человека, а его врага. Подобный подход к борьбе с вредными насекомыми неправилен, так как всегда существует достаточно большая вероятность приспособиться к одному инсектициду путем соответствующей единичной мутации. Когда же вид, таким образом, приспособится, то последующее размножение даст миллионы особей, и на их фойе применение нового инсектицида также может быть нейтрализовано повой мутацией, может дать новую расу, устойчивую уже к обоим ядам. Напротив, одновременное применение хотя бы только двух инсектицидов требует для выживания насекомого и создания устойчивой расы возникновения у одной особи одновременно двух полезных специфических мутаций, и к тому же прочно сцепленных, ибо если они разойдутся в потомстве, то все потомки, с одной только защищающей их мутацией, погибнут от второго яда, защиты от которого они лишились, потеряв вторую мутацию. Однако возникновение двух мутаций, одновременно защищающих каждая от одного из специфических ядов, да еще мутации сцепленных, явление практически невозможное. Поэтому, хотя это на первое время менее экономично, одновременное применение двух-трех разнотипных инсектицидов было бы чрезвычайно рентабельным, так как оно почти полностью гарантирует от возникновения устойчивых к ним рас насекомых. То же касается и применения антибиотиков. Два антибиотика или антибиотик плюс какой-то другой бактерицидный препарат, применяемые одновременно, а не последовательно, дали бы возможность избежать возникновения устойчивых рас микроорганизмов или сделать такое возникновение гораздо более редким. [3]

Список литературы

1. Перегудов Ф. И, Тарасенко Ф. П. Введение в системный анализ. М. «Высшая школа», 1986г.

2. Губанов В. А. Введение в системный анализ. Издательство ЛГУ, 1988г.

3. Блауберг Н. В. Становление и сущность системного подхода. М. «Наука», 1983г

www.ronl.ru

Доклад - Системный анализ в биологии

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ СИСТЕМ К БИОЛОГИИ

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ БИОСИСТЕМ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

1. Перегудов Ф. И, Тарасенко Ф. П. Введение в системный анализ. М. «Высшая школа», 1986г.

2. Губанов В. А. Введение в системный анализ. Издательство ЛГУ, 1988г.

3. Блауберг Н. В. Становление и сущность системного подхода. М. «Наука», 1983г

www.ronl.ru

Реферат - Системы и их классификация

Система – это совокупность материальных объектов (элементов), находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Элемент – это такая часть системы, которая после своего раздробления на части уже не обладает характеристиками системы (элемент – это наименьшая часть системы).

Объекты– есть параметры системы;

Параметрами являются: вход, процесс, выход, управление с помощью обратной связи и ограничений.

Свойства– есть качества параметров объектов.

Качества – это внешние проявления того способа (т.е. процесса), с помощью которого получается знание об объекте.

Связиесть то, что объединяет объекты и свойства в системном процессе.

Нет систем без процесса в них.

Связь компонентов системы называется структурой. Элементы в системе соединены таким образом, что система с данной структурой обладает новыми свойствами, которые не присущи отдельным элементам в их разобщенности.

Способ организации из элементов целого называется формой.

Функция – это способ поведения объекта или системы объектов, направленный на сохранение его самого или той системы, в которую он входит.

Проблематика части и целого, элемента и системы показывает, что многие фрагменты мира связаны между собой: та или иная часть целого свидетельствует о других частях целого.

Идеальную конструкцию вещи как идейную, образную или идейно-образную структуру определяет символ (разновидность знака). Русский символист Андрей Белый понимал символ как результат синтеза, для постижения богатства которого требуется не только знание и наука, но еще и богатство культуры. Американский философ Чарльз Пирс считает, что «человек – это мысль, и в качестве мысли он есть разновидность символа». Символичность мира является результатом взаимовлияния частей и целого, элементов и частей системы (всеобщий закон взаимовлияния).

В широком плане под системой (от греч. systema — целое, составленное из частей) обычно понимают какую-либо совокупность взаимосвязанных, расположенных в определенном порядке частей какого-либо единого целостного образования или совокупность принципов какой-либо теории.

Кибернетика – наука об общих принципах управления и связи в биологических и технических системах. На рис. 6 приведена обобщенная структурная схема кибернетических систем.

Рис.6. Обобщенная структурная схема кибернетических систем

Регулирующий – это элемент системы, который управляет регулируемым органом.

Регулируемый – это элемент системы, которым управляют.

Входной сигнал (Х) запускает всю систему в работу по программе. Управление регулируемым органом осуществляется импульсами тока (напряжения), поступающими по каналу прямой связи (1) от регулирующего блока. Импульсы передают информацию регулируемому блоку (например, по перемещению в пространстве) и таким образом на выходе (Y), отрабатывается программа, заложенная в регулирующем устройстве. Обратная связь (ОС) служит для контроля правильности отработки программы выходным устройством. При отклонении работы системы от заданной программы, на регулирующее устройство поступает информация в виде импульсов по каналу обратной связи (2). Таким образом, осуществляется автоматическое управление работой системы.

Так как в кибернетических системах основным параметром является информация, то в современном понимании, кибернетика — это наука об управлении, связи и переработки информации.

Кибернетическая система – упорядоченная совокупность объектов (элементов системы) взаимодействующих и взаимосвязанных между собой, которые способны воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться информацией.

Системность — это общий системный подход.

Например, внешней средой вещественной Вселенной, скорее всего, выступает физический вакуум. Любая подсистема Вселенной, например, галактика, Солнечная система, планета, биосфера, человек и т.д., предстает как цельное естественное тело, обладающее определенной автономией и собственным путем развития, но остающееся неотъемлемой составной частью целого.

Виды систем: материальные, абстрактные.

Среди материальных систем выделяют системы неорганическойи органическойприроды.

Материальные системы неорганической природы – это физические, геологические, химические и т.п.

Пример схемы материальной системы неорганической природы приведен на рис. 7, где отражена система термостата.

Рис.7. Схема материальной системы неорганической природы

УУ – управляющее устройство, УО – объект управления,

ОС – источник сигналов обратной связи

Материальные системы органической природы – это биологические (живые) системы. К таким системам относятся простейшие, биологические, организмы, популяции, виды, экосистемы.

В современном пониманиибиология – совокупность наук о живой природе, об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

На рис. 8 представлена обобщенная биологическая система органа зрения.

Рис.7. Биологические системы

ЦНС – центральная нервная система, ИО – исполнительный орган,

ОС – обратные связи в системе.

Особый класс материальных биологических систем представляют социальные системы (от простейших социальных объединений до социально-экономической структуры общества).

Биологические системы представляют собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, которые обладают свойствами целостности, относительной устойчивости, а также способностью к адаптации (приспособление к внешней среде), развитию, самовоспроизведению и эволюции.

Классификация современной биологии (рис.8а) может быть представлена в виде «здания», где по оси ординат (Y) классифицируются уровни организации (сложности) материи в пределах биосферы, по оси абсцисс (X) – методологические аспекты, а по оси Z дается классификация по биологическим функциям.

Рис.20. Классификация современной биологии

1-й этаж – самый верхний уровень – биосфера

2-й этаж – экология (изучает сообщества различных видов живых существ, из взаимосвязь между собой и окружающей средой.

3-й этаж – биологические виды – биология видов (животных, растений и бактерий и их систематику в целом: зоология, ботаника, микробиология и вирусология)

4-й этаж – анатомия и физиология (науки изучают структуру и жизнедеятельность индивидуального организма и его органов)

5-й этаж – клеточная биология (цитология)

6-й этаж субклеточная биология (исследование внутриклеточных органелл и их фрагменты, гомогенатов, «теней» клеток и других бесклеточных надмолекулярных систем.

7-й этаж – молекулярная биология (изучает функционирование макромолекул и их комплексов) – это последний уровень, где еще не утрачена биологическая функция.

8-й уровень – биоорганическая химия (здесь изучаются структуры и физико-химические характеристики веществ, составляющих живой организм здесь объектом исследования служит органические соединения (наука биоорганическая химия).

Обменные энергетические процессы, происходящие в живых системах, изучаются термодинамикой (наукой о законах превращения энергии из одного вида в другой).

Происходящие в системах процессы различных энергетических преобразований изучаются наукой – термодинамикой. Отсюда иногда такие системы называют термодинамическими.

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой термодинамические системы делят на три типа.

1) изолированная – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией

2) замкнутая – это система, которая обменивается с окружающей средой веществом, и энергией.

3) открытая – это система, которая обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией, и информацией

Живыми системами являются клетки, ткани, органы, системы органов, организмы, популяции организмов, экологические системы, биосфера в целом.

Живые системы характеризуются рядом особенностей, которые отличают их от неживых систем. Важнейшая особенность живых систем заключается в том, что их жизнь невозможна без притока в них энергии, обмена веществ и обмена информацией. Можно сказать, что они взаимодействуют со средой и по этой причине являются открытыми системами. Далее для живых систем характерна способность к самовоспроизводству, саморегуляции и самовосстановлению, в основе которого лежит способность к восстановлению повреждений собственного генетического материала. Наконец, всем живым системам присуща строгая пространственно-временная и основанная на единстве структурно-функциональных связей между их частями.

В класс биологических систем относят экологические системы. Обобщенно-структурная схема такой системы представлена на рисунке 9, которая выполнена на основных экологических законах.

www.ronl.ru

Реферат - Критерии живых систем

Единство химического состава. Всостав живых организмов и неживых предметов входят одни и те же химические элементы, однако соотношение элементов в живом и неживом существенно различается. Элементный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д. В живых организмах, как уже отмечалось ранее, 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород. Кроме того, живые организмы построены в основном из четырех сложных органических молекул — биологических полимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и жиров, которые очень редко встречаются в неживой природе.

Обмен веществ.Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой: они поглощают из нее необходимые вещества и выделяют продукты своей жизнедеятельности. Обмен веществ — двусторонний процесс: во-первых, в результате ряда сложных химических превращений вещества окружающей среды уподобляются органическим веществам живого организма, и из них строится его тело; во-вторых, сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, т.е. гомеостаз. В неживой природе также существует обмен веществ, но в отличие от обмена веществ, присущего живым организмам, круговорот веществ сводится к их простому переносу с одного места на другое или изменению их агрегатного состояния.

Самовоспроизведение (репродукция) и наследственность.При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей, что дает основания утверждать, что размножение — это свойство организмов воспроизводить себе подобных. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в ДНК. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, а также органоиды клеток после деления сходны со своими прототипами. Следова-

тельно, самовоспроизведение тесно связано с наследственностью — способностью организмов к передаче свойств, признаков, особенностей развития из поколения в поколение, что обусловливает преемственность поколений.

Изменчивость и развитие.Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора и соответственно предпосылки для развития и роста живых организмов.

Под изменчивостьюв естествознании понимают способность организмов приобретать новые признаки и свойства на основе изменения молекул ДНК.

Развитие— это необратимое, направленное, закономерное изменение объектов живой природы.

В результате развития возникает новое качественное состояние живой системы. Развитие жизни как формы существования материи представлено индивидуальным развитием организмов (онтогенез) и историческим развитием видов (филогенез). В процессе развития постепенно и последовательно формируется специфическая структурная организация живого организма, а также происходит увеличение его массы, обусловленое репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток.

Раздражимость.Любой живой организм неразрывно связан с окружающей средой: он извлекает из нее необходимые вещества, подвергается воздействию неблагоприятных факторов среды, вступает во взаимодействие с другими организмами и т.д.

В процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство раздражимости— избирательной реакции на внешние воздействия.

Всякое изменение условий среды, окружающих организм, представляет собой по отношению к нему раздражение, а реакция организма на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости.

Ритмичность.Неотъемлемым свойством природы является последовательная закономерная смена циклов. Периодические изменения вокружающей среде оказывают существенное влияние на живую природу и на собственные жизненные ритмы живых организмов.

В живых системах ритмичностьпроявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций с различными периодами их активизации (от нескольких секунд до столетия).

Примерами ритмичности являются суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих и др. Ритмичность обеспечивает согласование функций организма с окружающей средой, т.е. приспособление к периодически изменяющимся условиям существования.

Саморегуляция. Несмотря на постоянные изменения условий внешней среды, живые организмы сохроняют постояноство своего состава и строения.

Саморегуляция— способность живых организмов поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов в постоянно меняющихся условиях окружающей среды.

При этом недостаток поступления каких-либо питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а их избыток приводит к прекращению синтеза. Например, уменьшение количества клеток в ткани (в результате травмы) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток, а после восстановления количества клеток до нормального возникает сигнал о прекращении интенсивности клеточного деления.

Дискретность. Как уже было отмечено, жизнь на Земле существует в виде дискретных форм, т.е. как биосфера в целом, так и каждый отдельный организм состоят из обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Дискретность строения организма — основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления его путем замены отживших структурных элементов без прекращения выполняемой им функции. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции через гибель или устранение от размножения неприспособленных особей и сохранения особей с полезными для выживания признаками.

Таким образом, в обобщенном и упрощенном виде все отмеченное выше можно выразить в следующих выводах.

Все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе. Естественно, что данные признаки должны быть отражены в определении жизни. Исходя из этого можно предложить следующее определение жизни.

В современном естествознании понятием «жизнь»или «живое»обозначается высшая из природных форм движения материи, которая характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.

Важнейшими признаками жизни являются противостояние энтропийным процессам, обмен веществ с окружающей средой, воспроизводство на основе генетического кода и молекулярная хиральность.

www.ronl.ru

Доклад - Основные этапы развития биологии

Московский Гуманитарно-Экономический институт

Кировский филиал

Факультет Экономики и управления

Реферат

по дисциплине:

«Концепция современного естествознания»

на тему

«Основные этапы развития биологии»

Студента 2 курса заочного отделения

Борнякова Александра Владимировича

Срок обучения 6 лет.

Набор 2005 г.

Научный руководитель

Южанина Елена Николаевна

г.Киров 2007 г.

Содержание

1. Введение.

2. Биология как комплексная наука.

3. Этапы развития биологии.

4. Заключение.

Список литературы

Введение

В последнее время при изучении истории развития науки все острее встает проблема рациональной реконструкции ее исторического развития, связанная с различием между нашим пониманием происходивших в прошлом научных исследований и тем, как сами естествоиспытатели понимали свои открытия. Господствовавшая долгое время кумулятивистская модель развития науки, т.е. изложение содержания знаний в их историческом развитии, подвергается критике, так как в ее рамках знания вырываются из их исторического контекста и включаются в систему современных представлений, то есть предполагается существование некой общей для всех рациональности. В последнее время широкое распространение получила концепция революционной смены фундаментальных программ познания, и на место единой для всех приходят разные исторические типы рациональности. Изучая этапы становления идеи развития в биологии от античных до наших дней, необходимо попытаться создать рациональную реконструкцию, с одной стороны, и в то же время учитывать различия типов рациональности со сменой эпох.

Сама биологическая эволюция в настоящее время является научно установленным фактом, в котором никто из естествоиспытателей не может сомневаться. Несмотря на ее кажущуюся законченность, и в настоящее время возникает немало споров, касающихся как происхождения различных биологических видов, так и самой жизни на Земле.

Очень разнообразными были представления о происхождении жизни у античных философов. Особо стоит отметить одного из первых философов фазиса — Анаксимандра с его гениальной догадкой о зарождении жизни в воде и последующем переселении живых существ на сушу. Великим систематизатором античных биологических знаний был и Аристотель. В средние века господствовала теория креационизма, согласно которой все сущее было творением высшего существа. С того момента, когда на Западе победило христианство, принятый без оговорок авторитет библии в течение долгих веков тормозил всякие независимые и самостоятельные исследования и искания в области эволюционизма. Дословное изложение генезиса исключало возможность перехода одной формы жизни в другие. Каждый вид был обязан своим существованием акту творения, а в настоящее время существуют только те формы жизни, которые уцелели из вод потопа благодаря Ноеву ковчегу.

Все изменилось с приходом так называемого Нового времени: благодаря технической революции и Просвещению начинается бурное развитие биологии. В XVIII веке, к господствующей теории происхождения жизни, добавили теорию неизменности видов великого Карла Линнея, согласно которой растения и животные, сотворенные Богом, скорее всего до сотворения человека, пребывают неизменно такими же, размножаясь путем самопроизводства, а затем и теория — Бюффона, который одним из первых в развернутой форме изложил концепцию трансформизма, то есть ограниченной изменчивости видов и происхождения видов в пределах относительно узких подразделений (от одного единого предка) под влиянием среды.

XIX век характеризовался бурным развитием биологической мысли: возникли теории катастрофизма Кювье, униформизма Лаейеля, великий предшественник Дарвина Ламарк выдвинул теорию о влиянии внешней среды, и самого Дарвина, которому удалось объединить все лучшее из существовавших в то время теорий.

После смерти Дарвина в его учении выделились относительно самостоятельные направления, каждое из которых по-своему понимало, дополняло и совершенствовало его воззрения.

XX век ознаменовался созданием синтетической теории и переходом к популяционной концепции эволюции. Новейшей теорией является системная теория нобелевского лауреата Пригожина, согласно которой развитие любой биологической системы связано с эволюцией систем более высокого ранга, в которые она входит в качестве элемента, при этом предполагается рассмотрение взаимодействий «сверху — вниз» от биосферы к экосистеме, сообществам, организмам и т.д.

Термин биология (от греч. биос -жизнь, логос -наука) введен в начале XIX в. независимо Ж.-Б. Ламарком и Г. Тревиранусом для обозначения науки о жизни как особом явлении природы. Биология — наука о жизни, ее формах и закономерностях развития. Предметом ее изучения является многообразие вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строение (от молекулярного до анатомо-морфологического), функции, происхождение, индивидуальное развитие, эволюция, распространение, взаимоотношения друг с другом и окружающей средой.

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, саморегуляцию, движение и др.

Развитие этой науки шло по пути последовательного упрощения предмета исследования. Этот путь познания — от сложного к простому — часто называют «редукционистским». Редукционизм, доведенный до своего логического завершения, сводит познание к изучению элементарнейших форм существования материи. Это относится и к живой, и к неживой природе. При таком подходе законы природы пытаются познать, изучая вместо единого целого отдельные его части. Другой подход основан на «виталистических» принципах. В этом случае «жизнь» рассматривают как совершенно особенное и уникальное явление, которое нельзя объяснить только действием законов физики и химии. Основная задача биологии как науки состоит в том, чтобы истолковать все явления живой природы, исходя из научных законов, не забывая при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от свойств частей, его составляющих.

Биология как комплексная наука

Современная биология представляет комплекс, систему наук. Отдельные биологические науки или дисциплины возникли вследствие процесса дифференциации, постепенного обособления относительно узких областей изучения и познания живой природы. Это, как правило, интенсифицирует и углубляет исследования в соответствующем направлении. Так, благодаря изучению в органическом мире животных, растений, простейших одноклеточных организмов, микроорганизмов, вирусов и фагов произошло выделение в качестве крупных самостоятельных областей зоологии, ботаники, протистологии, микробиологии, вирусологии. Изучение закономерностей, процессов и механизмов индивидуального развития организмов, наследственности и изменчивости, хранения, передачи и использования биологической информации, обеспечения жизненных процессов энергией является основой для выделения эмбриологии, биологии развития, генетики, молекулярной биологии и биоэнергетики. Исследования строения, функциональных отправлений, поведения, взаимоотношений организмов со средой обитания, исторического развития живой природы привели к обособлению таких дисциплин, как морфология, физиология, этология, экология, эволюционное учение. Интерес к проблемам старения, вызванный увеличением средней продолжительности жизни людей, стимулировал развитие возрастной биологии.

Для уяснения биологических основ развития, жизнедеятельности и экологии конкретных представителей животного и растительного мира неизбежно обращение к общим вопросам сущности жизни, уровням ее организации, механизмам существования жизни во времени и пространстве. Наиболее универсальные свойства и закономерности развития и существования организмов и их сообществ изучает общая биология. Сведения, получаемые каждой из наук, объединяются, взаимо — дополнения и обогащая друг друга, и проявляются в обобщенном виде, в познанных человеком закономерностях, которые либо прямо, либо с некоторым своеобразием (в связи с социальным характером людей) распространяют свое действие на человека.

Этапы развития биологии

Интерес к познанию мира живых существ возник на самых ранних стадиях зарождения человечества, отражая практические нужды людей. Для них этот мир был источником средств к существованию, так же как и определенных опасностей для жизни и здоровья. Естественное желание узнать, следует ли избегать встречи с теми или иными животными и растениями или же, наоборот, использовать их в своих целях, объясняет, почему первоначально интерес людей к живым формам проявляется в попытках их классификации, подразделения на полезные и опасные, болезнетворные, представляющие пищевую ценность, пригодные для изготовления одежды, предметов обихода, удовлетворения эстетических запросов.

По мере накопления конкретных знаний наряду с представлением о разнообразии организмов возникла идея о единстве всего живого. Особенно велико значение этой идеи для медицины, так [как это указывает на универсальность биологических закономерностей для всего органического мира, включая человека. В известном смысле история современной биологии как науки о жизни представляет собой цепь крупных открытий и обобщений, подтверждающих справедливость этой идеи и раскрывающих ее содержание. Важнейшим научным доказательством единства всего живого послужила клеточная теория Т. Шванна и М. Шлейдена (1839). Открытие клеточного строения растительных и животных организмов, уяснение того, что все клетки (несмотря на имеющиеся различия в форме, размерах, некоторых деталях химической организации) построены и функционируют в целом одинаковым образом, дали толчок исключительно плодотворному изучению закономерностей, лежащих в основе морфологии, физиологии, индивидуального развития живых существ.

Открытием фундаментальных законов наследственности биология обязана Г. Менделю (1865), Г. де Фризу, К. Корренсу и К. Чермаку (1900), Т. Моргану (1910-1916), Дж. Уотсону и Ф. Крику (1953). Названные законы раскрывают всеобщий механизм передачи наследственной информации от клетки к клетке, а через клетки — от особи к особи и перераспределения ее в пределах биологического вида. Законы наследственности важны в обосновании идей единства органического мира; благодаря им становится понятной роль таких важнейших биологических явлений, как половое размножение, онтогенез, смена поколений.

Представления о единстве всего живого получили основательное подтверждение в результатах исследований биохимических (обменных, метаболических) и биофизических механизмов жизнедеятельности клеток. Хотя начало таких исследований относится ко второй половине XIX в., наиболее убедительны достижения молекулярной биологии. Она стала самостоятельным направлением биологической науки в 50-е гг. текущего столетия, что связано с описанием Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953) строения дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Молекулярная биология уделяет главное внимание изучению в процессах жизнедеятельности роли биологических макромолекул (нуклеиновые кислоты, белки), закономерностей хранения, передачи и использования клетками наследственной информации. Молекулярно-биологические исследования раскрыли универсальные физико-химические механизмы, от которых зависят такие всеобщие свойства живого, как наследственность, изменчивость, специфичность биологических структур и функций, воспроизведение в ряду поколений клеток и организмов определенного строения.

Клеточная теория, законы наследственности, достижения биохимии, биофизики и молекулярной биологии свидетельствуют в пользу единства органического мира в его современном состоянии. То, что живое на планете представляет собой единое целое в историческом плане, обосновывается теорией эволюции. Основы названной теории заложены Ч. Дарвином (1858). Свое дальнейшее развитие, связанное с достижениями генетики и популяционной биологии, она получила в трудах А.Н. Северцова, Н.И. Вавилова, Р. Фишера, С.С. Четверикова, Ф.Р. Добжанского, Н.В. Тимофеева-Ресовского, С. Райта, И.И. Шмальгаузена, чья плодотворная научная деятельность относится к текущему столетию.

Эволюционная теория объясняет единство мира живых существ общностью их происхождения. Она называет пути, способы и механизмы, которые за несколько миллиардов лет привели к наблюдаемому ныне разнообразию живых форм, в одинаковой мере приспособленных к среде обитания, но различающихся по уровню морфофизиологической организации. Общий вывод, к которому приходит теория эволюции, состоит в утверждении, что живые формы связаны друг с другом генетическим родством, степень которого для представителей разных групп различается. Свое конкретное Выражение это родство находит в преемственности в ряду поколений фундаментальных молекулярных, клеточных и системных механизмов развития и жизнеобеспечения. Такая преемственность сочетается с изменчивостью, позволяющей на основе этих механизмов достичь более высокого уровня биологической организации.

Современная теория эволюции обращает внимание на условность грани между живой и неживой природой, между живой природой и человеком. Результаты изучения молекулярного и атомного состава клеток и тканей, строящих тела организмов, получение в химической лаборатории веществ, свойственных в естественных условиях только живому, доказали возможность перехода в истории Земли от неживого к живому. Не противоречит законам биологической эволюции появление на планете социального существа — человека. Клеточная организация, физико-химические и генетические законы неотделимы от его существования, так же как и любого другого организма. Эволюционная теория показывает истоки биологических механизмов развития и жизнедеятельности людей, т. е. того, что может быть названо биологическим наследством. В классической биологии родство организмов, относящихся к разным группам, устанавливали путем сравнения организмов во взрослом состоянии, эмбрионального развития, поиска переходных Ископаемых форм. Современная биология подходит к решению этой задачи также путем изучения различий в нуклеотидных последовательностях ДНК или аминокислотных последовательностях белков. По главным своим результатам схемы эволюции, составленные на основе классического и молекулярно-биологического подходов, совпадают .

Выше было сказано, что первоначально люди классифицировали организмы в зависимости от их практического значения. К. Линней (1735) ввел бинарную классификацию, согласно которой для определения положения организмов в системе живой природы указывается их принадлежность к конкретному виду и роду. Хотя бинарный принцип сохранен в современной систематике, оригинальный вариант классификации К. Линнея носит формальный характер. Биологи до создания теории эволюции относили живые существа к соответствующему роду и виду по их подобию друг другу, прежде всего близости строения. Эволюционная теория, объясняющая сходство между организмами их генетическим родством, составила естественно-научную основу биологической классификации. Приобретя в эволюционной теории такую основу, современная классификация органического мира непротиворечиво отражает, с одной стороны, факт разнообразия живых форм, а с другой — единство всего живого.

Идея единства мира живых существ находит свое подтверждение также в экологических исследованиях, относящихся главным образом к XX в. Представления о биоценозе (В.Н. Сукачев) или экологической системе (А. Тенсли) раскрывают универсальный механизм обеспечения важнейшего свойства живого — постоянно происходящего в природе обмена веществ и энергии. Названный обмен возможен только в случае сосуществования на одной территории и постоянного взаимодействия организмов разного плана строения(продуцентов, консументов, деструкторов) и уровня организации. Учение о биосфере и ноосфере (В.И. Вернадский) раскрывает место и планетарную роль живых форм, включая человека, в природе, так же как и возможные последствия ее преобразования.

Каждый крупный шаг на пути познания фундаментальных законов жизни неизменно оказывал влияние на состояние медицины, приводил к пересмотру содержания и понимания механизмов патологических процессов. Соответственно пересматривались принципы организации лечебной и профилактической медицины, методы диагностики и лечения.

Так, исходя из клеточной теории и разрабатывая ее дальше, Р. Вирхов создал концепцию клеточной патологии (1858), которая на долгое время определила главные пути развития медицины. Эта концепция, придавая особое значение в течении патологических состояний структурно-химическим изменениям на клеточном уровне, способствовала возникновению в практическом здравоохранении патологоанатомической, прозекторской службы.

Применив генетико-биохимический подход в изучении болезней человека, А. Гаррод заложил основы молекулярной патологии (1908). Этим он дал ключ к пониманию практической медициной таких явлений, как различная восприимчивость людей к болезням, индивидуальный характер реакции на лекарственные препараты.

Успехи общей и экспериментальной генетики 20-30-х годов стимулировали исследования по генетике человека. В результате возник новый раздел патологии — наследственные заболевания, появилась особая служба практического здравоохранения -медико-генетические консультации. Молекулярная и современная клеточная биология создают ранее не известные возможности предупреждения и лечения болезней, зависящих от наличия вредных мутаций, с применением методов генетической инженерии. Достижения в названной области науки привели к появлению целой отрасли производства, работающей на здравоохранение, медицинской биотехнологии. Зависимость состояния здоровья людей от качества среды и образа жизни уже не вызывает сомнений ни у практикующих врачей, ни у организаторов здравоохранения. Закономерным следствием этого является наблюдаемая в настоящее время экологизация медицины.

Заключение

Значение биологии как науки исключительно велико, так как познание исторического развития органического мира, начиная от молекулярного уровня до биогеоценотического, играет определяющую роль в формировании материалистического мировоззрения и понимания коренных философско-методологических проблем (форма и содержание, целостность и целесообразность, прогресс и т.д.). Кроме того, биология способствует решению жизненно важных практических задач. Так, в частности, быстрые темпы роста населения планеты, постоянное уменьшение территорий, занятых сельскохозяйственным производством, привели к глобальной проблеме современности — производству пищи. Эту задачу способны решать такие науки, как растениеводство и животноводство, базирующиеся на достижениях генетики и селекции. Благодаря знанию законов наследственности и изменчивости можно создавать высокопродуктивные сорта культурных растений и пород домашних животных, что позволит интенсивно вести сельскохозяйственное производство и удовлетворить потребности населения планеты в пищевых ресурсах.

.Биологические знания помогают в борьбе с вредителями и болезнями культурных растений, паразитами животных. Они играют важную роль в совершенствовании лесного и рыбного хозяйства, звероводства.

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. Уже в реально обозримом будущем могут быть решены задачи обеспечения людей продуктами питания, необходимыми медицине и сельскому хозяйству биологически активными веществами и энергией в достаточном количестве, несмотря на рост населения и сокращение природных запасов топлива. Исследования в области генной инженерии, биологии клетки, синтеза ростовых веществ открывают перспективы замещения дефектных генов у лиц с наследственными болезнями, стимуляции восстановительных процессов, контроля за клеточным размножением и, следовательно, воздействия на злокачественный рост.

Биология относится к ведущим отраслям естествознания. Так, например, высокий уровень ее развития служит необходимым условием прогресса медицины.

Список литературы

1. Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания М. 2003г.

2. Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера М. 1999г.

3. Ичас М. О природе живого: механизмы и смысл. М 1994г.

www.ronl.ru

Смотрите также

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..