 |
|
Історія розвитку біології
ТЕМА 1: БІОЛОГІЯ, ЯК НАУКА
План
1. Біологія, як наука
2. Історія розвитку біології
3. Вчені біологи України
Біологія, як наука
Біологія (від гр. біос – життя, логос – наука, вчення) – наука про життя, його форми і закономірності розвитку. Предметом її вивчення є розмаїття живих істот – вимерлих і тих, що нині населяють Землю, їхня будова (від молекулярної до анатомо–морфологічної), функції, походження, індивідуальний розвиток, еволюція, поширення, взаємини між собою та із довкіллям.
Така назва науки була запропонована 1802р. німецьким ботаніком Л. Х. Тревіранусом (1779-1864), але визнання біології як самостійної дисципліни було дано тільки 1809 р. видатним французьким ученим Ж. Б. Лазарком.
Біологія досліджує загальні і конкретні закономірності життя в усіх його проявах і властивостях: обмін речовин та енергії, розмноження, спадковість і мінливість, зростання і розвиток, подразливість, дискретність, саморегуляцію, рух тощо.
Історично першими склалися: науки про тварин (зоологія) і рослини (ботаніка), основи медицини (анатомія), згодом – фізіологія. Інші біологічні дисципліни, наприклад, гідробіологія (наука про системи водних організмів), мікробіологія (наука про найпростіші організми), з’явилися значно пізніше.
Біологія тісно пов’язана з хімією, фізикою та іншими науками, що вивчають закономірності неживої природи. Сучасна біологія розглядає організм у його єдності з середовищем існування і з умовами життя, у стосунках з іншими організмами, з якими він прямо чи посередньо пов’язаний.
Залежно від об’єктів вивчення в біології виділяють ряд напрямів: мікробіологію, ботаніку, зоологію, антропологію та ін. Ці науки досліджують особливості походження, будови, розвитку, життєдіяльності, властивості, розмаїття і поширення на земній кулі кожного окремого виду.
Залежно від структури, властивостей і проявів індивідуального життя біологічних об’єктів в біології виділяють морфологію та анатомію (вивчають форми і будову організмів), фізіологію (аналізує функцію живих організмів, їх взаємозв’язок і залежність від зовнішніх та внутрішніх умов), генетику (вивчає закономірності спадковості і мінливості організмів), біологію розвитку (вивчає закономірності індивідуального розвитку - онтогенезу), еволюційне вчення (досліджує закономірності історичного розвитку органічного світу - філогенезу), екологію (вивчає образ життя організмів у взаємозв’язку з умовами довкілля).
Хімічні реакції і фізико-хімічні процеси в живих організмах, а також хімічний склад і фізичну структуру біологічних систем на всіх рівнях організації досліджують біохімія і біофізика. Виявити загальні закономірності дозволяє біометрія – сукупність прийомів планування й обробки результатів біологічних досліджень методами математичної статистики.
Життєві явища на молекулярному рівні вивчає молекулярна біологія; структуру і функції клітин, тканин і органів – цитологія, гістологія й анатомія; популяції й біологічні особливості всіх організмів, що входять до їхнього складу, - популяційна генетика й екологія, закономірності формування і функціонування, взаємозв’язки й розвиток вищих структурних рівнів організації життя на Землі та в біосфері загалом – біогеоценологія. Закономірності будови (структури) і функціонування, єдині для всіх організмів незалежно від їхнього систематичного положення, розглядає загальна біологія.
Основними методами біології є спостереження (дозволяє описати біологічні явища), порівняння (дає змогу виявити загальні закономірності в будові і життєдіяльності різних організмів) або експеримент-дослід (допомагає вивчати властивості біологічних об’єктів), моделювання (імітується багато процесів, недоступних для безпосереднього спостереження або експериментального відтворення), історичний метод (допомагає на основі даних про сучасний органічний світ та його минуле пізнати процеси розвитку живої природи).
Значення біології як науки виключно велике, оскільки пізнання історичного розвитку органічного світу – від молекулярного рівня до біосферного – є необхідною умовою формування світогляду людини, правильного розуміння корінних філософсько-методологічних проблем (форма і зміст, цілісність і доцільність, прогрес тощо). Крім того, біологія сприяє розв’язанню життєво важливих практичних завдань. Зокрема, швидкі темпи росту населення планети, невпинне зменшення територій під сільськогосподарськими угіддями призвели до глобальної проблеми сучасності – нестачі продуктів харчування. Цю проблему здатні розв'язати такі науки, як рослинництво і тваринництво, спираючись на досягнення генетики й селекції. На основі законів спадковості і мінливості можна створювати високопродуктивні сорти культурних рослин і порід домашніх тварин, що дозволяє вести інтенсивне сільськогосподарське виробництво і задовольнити потреби населення планети в харчових ресурсах.
Біологічні знання допомагають боротися зі шкідниками і хворобами культурних рослин, паразитами тварин. Вони необхідні для удосконалення лісового й рибного господарства, звірівництва.
Досягнення сучасної біології знайшли практичне застосування в промисловому біологічному синтезі амінокислот, кормових білків, ферментів, вітамінів, стимуляторів росту і засобів захисту рослин, органічних кислот тощо.
Методами генної інженерії створені організми з новими комбінаціями спадкових ознак і властивостей, наприклад, рослини з підвищеною стійкістю до захворювань, засолення ґрунтів, здатністю до фіксації атмосферного азоту та ін. Генну інженерію покладено в основу розробки принципів біотехнології, пов’язаної з виробництвом біологічно активних речовин (інсулін, антибіотики, інтерферон, нові вакцини для профілактики інфекційних захворювань людини чи тварин).
Теоретичні досягнення біології широко застосовуються в медицині. Саме новітні відкриття в біології визначили сучасний рівень медичної науки. На основі генетичних досліджень розробляються методи ранньої діагностики, лікування та профілактики багатьох спадкових хвороб людини (альбінізм, гемофілія, безплідність та ін.). від цих досліджень безпосередньо залежить прогрес медицини.
Розв’язання таких важливих проблем сучасності, як охорона довкілля, раціональне використання природних ресурсів і підвищення продуктивності рослинного світу, можливе тільки на базі біологічних досліджень. Саме біологам належить виключна роль у виявленні й усуненні негативних наслідків впливу людини на природу (забруднення середовища різноманітними шкідливими речовинами), визначенні режимів раціонального використання резервів біосфери. Традиційно залишаючись теоретичною основою охорони здоров’я та сільського господарства, біологія водночас відкриває можливості для розвитку нових, перспективних напрямів у техніці й технології (біоніка, біотехнологія тощо). Інженери, конструктори, суднобудівники, архітектори та інші фахівці знаходять у дослідженнях біологів невичерпне джерело нових ідей, принципів створення механізмів, приладів та конструкцій. Стрімкий розвиток науки і техніки супроводжується небаченими за своїми масштабами змінами довкілля, тому першочерговими завданнями біології стають вивчення біосфери, забезпечення її сталості, дослідження структури Землі і процесу кругообігу речовин, збереження здатності природи до само відтворення.
Світ живих істот, включаючи людину, представлений біологічними системами різної структурної організації і різного рівня супідрядності, або погодженості. Відомо, що всі живі організми складаються з клітин. Клітина буває як окремим організмом, так і частиною багатоклітинного організму рослини чи тварини. Вона може мати досить просту будову, як бактеріальна клітина, або значно складнішу, як клітини найпростіших. Як бактеріальна клітина, так клітина найпростіших являє собою цілісний організм, здатний виконувати всі функції, необхідні для забезпечення своєї життєдіяльності. На відміну від них. Клітини, що входять до складу багатоклітинного організму, спеціалізовані, тобто можуть здійснювати лише певну функцію і не здатні самостійно існувати поза організмом. У багатоклітинних організмів внаслідок взаємозв’язку багатьох клітин виникає нова якість, нерівнозначна простій сумі цих клітин.
Елементи організму – клітини, тканини та органи – у своїй сукупності ще не являють собою цілісний організм. Лише внаслідок з’єднання цих елементів в історично сформованому в процесі еволюції порядку та їхньої взаємодії утворюється цілісний організм із певними властивостями.
Історія розвитку біології
Протягом понад 2000 років у процесі наукового пізнання життя послідовно замінювались і доповнювали один одного різні дослідницькі підходи: спостереження, опис і класифікація, порівняльно-анатомічний, історичний і експериментальний методи. Кожен із них зазнавав істотних перетворень, пов’язаних із застосуванням різноманітних видів біологічного експерименту, фізико-хімічних та математичних методів і моделювання. Накопичення та опис фактичного матеріалу, розподіл живих форм по систематичних групах, розширення методів біологічного дослідження наповнило конкретним змістом уявлення про живу природу, сприяло подоланню метафізичних поглядів.
Перші систематичні спроби пізнання живої природи були зроблені античними лікарями і філософами (Гіппократ, Арістотель, Теофраст, Гален). Їх праці, продовженні в епоху Відродження, поклали початок ботаніці й зоології, а також анатомії і фізіології людини (Везалій та ін.). У XVII-XVIII ст. в біології поширюються експериментальні методи. На підставі кількісних вимірів і застосування законів гідравліки У.Гарвей відкрив механізм кровообігу. Важливу роль у подальшому розвитку біології відіграв винахід мікроскопа і використання його в наукових цілях. За його допомогою було відкрито світ найдрібніших живих істот, тонку структуру клітини. Так, Р.Гук (1665) спостерігав під мікроскопом клітинну будову пробки, А.Левенгук (1674-1677) – бактерій і найпростіших та сперматозоїди людини, К.М.Бер (1826) побачив яйцеклітину ссавців, Р.Броун (1828) відкрив клітинне ядро. Одним із головних досягнень біології XVIII ст. було створення К.Ліннеєм системи класифікації рослин і тварин (1735).
Т. Шванн (1839), спираючись на мікроскопічні дослідження рослинних і тваринних об’єктів виконані ним самим та його попередниками, у тому числі М. Шлейденом (1838), сформулював клітинну теорію. Основне її положення – визнання клітини елементарною одиницею будови всіх органів і частин рослин і тварин, що вирішальним доказам єдності структурної організації всіх живих організмів і спільності походження рослинного і тваринного царств.
Клітинна теорія стимулювала наукову розробку теорії еволюції і була високо оцінена вченими, посівши почесне місце в одному ряду з такими видатними відкриттями ХІХ ст., як закон збереження матерії і енергії та теорія еволюції Ч. Дарвіна. На основі клітинної теорії Р. Вірховим (1858) створене вчення про клітинну патологію, яке відіграло велику роль у медицині. Учений показав, що чимало хвороб людини супроводжуються специфічними змінами в клітинах і за характером цих змін можна судити про саму хворобу. Він же встановив, що найбільше значення в житті клітини мають не оболонки, як вважали раніше, а її внутрішній вміст. Р. Віхров сформулював також найважливіший принцип: «кожна клітина від клітини».
Справжній переворот у біології пов'язаний із вченням Ч. Дарвіна (1859), який відкрив рушійні сили еволюції і дав матеріалістичне пояснення доцільності організації живих істот.
Важливим етапом у розвитку біології стало відкриття Г. Менделем закономірностей успадкування ознак, що поклало початок генетичним дослідженням.
Застосування мікроскопа стимулювало розвиток ембріології та мікробіології. У другій половині ХІХ ст. Л. Пастером, І.І. Мечниковим, Р. Кохом у біологічному експерименті були вивчені деякі інфекційні та паразитарні захворювання і розроблені засоби боротьби з ними (сироватки й вакцини). І.І. Мечников створив також загальнобіологічні основи вчення про клітинний імунітет (фагоцитоз), доповненого згодом теорією П. Ерліха про гуморальний імунітет (захисна функція сироваткових білків крові).
Видатний вітчизняний учений І.І. Мечников заснував велику школу біологів (Г.М. Габричевський, І.Г. Савченко, М.Ф. Гамалія, Д.К. Заболотний, М.Я. і Ф.Я. Чистовичі та ін.), які у своїх працях розкрили причини багатьох інфекційних хвороб і розробили науково обґрунтовані принципи боротьби з ними.
Удосконалення світлового мікроскопа і техніки мікроскопічних досліджень значно розширило наприкінці ХІХ ст. відомості про тонку структуру клітини. Були виявлені й описані її основні органели, з'ясовані закономірності клітинного поділу, розгаданий механізм запліднення й дозрівання статевих клітин, відкриті хромосоми та їх складна поведінка під час поділу клітини. Внаслідок цих досягнень виникла нова галузь біології – цитологія.
Новий етап у вивченні будови клітини (40-і роки ХХ ст.) починається з практичного застосування електронної мікроскопії, за допомогою якої досягається збільшення об'єкта дослідження в 100 000 разів і більше. У цей період використовувалися й інші фізико-хімічні методи: ультрацентрифугування для розділу клітинних компонентів і виділення окремих фракцій з їх наступним хімічним і рентгеноструктурним аналізом, введення в живі організми мічених атомів з метою спостереження за швидкістю і характером обмінних процесів.
У молекулярно-біологічних і молекулярно-генетичних дослідженнях дедалі частіше стали вивчатися бактерії, віруси, фаги, що сприяло розширенню уявлень про матеріальні основи спадковості клітини, її ферментні системи, динаміку енергетичного обміну, механізм генетичного контролю біосинтезу білків, нуклеїнових кислот та інших біологічно активних сполук. Було виявлено зв'язок між будовою окремих молекул і клітинних структур та їх функцією. За допомогою електронного мікроскопа вдалося розглянути й вивчити органели клітини, невидимі у світловий мікроскоп.
Загалом для біології ХХ ст. характерні дві взаємозв'язані тенденції у вивченні явищ життя: по-перше, розгляд цих явищ на різних рівнях організації: молекулярному, клітинному, організменому, популяційному; по-друге, прагнення до цілісного синтетичного пізнання живої природи, що зумовило прогрес наук, які вивчають властивості живої природи на всіх структурних рівнях її організації (генетика, систематика, еволюційне вчення тощо). Починаючи з 50-х років виключних успіхів досягла молекулярна біологія: розкрито хімічні основи спадковості, що виявилися універсальними для всіх організмів (будова ДНК, генетичний код, матричний принцип синтезу біополімерів).
Вчення українського вченого В.І. Вернадського про біосферу як особливу оболонку Землі визначило масштаби геохімічної діяльності живих організмів та нерозривний зв'язок їх із неживою природою.