Современная клеточная теория, ее основные положения, роль в формировании современной естественнонаучной картины мира

Разработанная Маттиасом Шлейденом и Теодором Шванном в 1839 г клеточная теория в измененном и дополненном виде широко используется наукой в настоящее время. Основные ее положения:

• Клетка является базовой функциональной единицей строения жизни. Ниже клетки могут изучаться только органические вещества, не обладающие достаточным количеством признаков живого, чтобы рассматриваться как отдельные живые объекты. Они изучаются химией и биохимией.
• Клетка является единой цельной сбалансированной системой, состоящей из большого количества связанных между собой химически, пространственно (общим нахождением в клеточной оболочке), физическими процессами органоидов. Органоиды являются функциональными единицами клетки.
• Все живые клетки гомологичны, то есть имеют в своей основе общие принципы строения и функционирования, а также общих предков.
• Появление новых живых клеток возможно только путем деления материнской.

Развитие современной биологии привело к расширению клеточной теории и внесению в нее дополнительных пунктов:

• Клетки ядерных и безъядерных организмов – имеют разный уровень организации и различаются по своей сложности и структурным компонентам.
• Копирование генетической информации является основой деления клеток.
• Клетки одного организма являются равнозначными по наследственной информации, их разделение на ткани определяется различным набором активированных белков.

Изучение клетки продолжается, следовательно, клеточная теория будет дополняться.

Роль клеточной теории в развитии естественнонаучных представлений о мире

Становление и доказательство клеточной теории позволило:

• Определить наиболее важные направления исследования живого, получить практические результаты, которые можно использовать для развития таких наук, как генетика, медицина, палеонтология.
• Изучить процессы размножения, найти новые методы лечения для врожденных и приобретенных заболеваний, определить причины возникновения многих из них.
• Создать такие науки как генетика, цитология, гистология, что стало основой для изучения структурных и генетических свойств различных животных, бактерий, растений. На основе этих знаний сейчас создаются новые лекарственные препараты, урожайные сорта растений, что позволяет обеспечить продовольственную безопасность человека и защиту его от многих болезней.
• Изучить процессы развития и размножения организмов, что дает возможность спрогнозировать их свойства и особенности, а также сделать уверенные предположения о свойствах вымерших на основе изучения палеонтологических находок и прояснить многие моменты истории развития живого.

Наличие доказанной базовой теории позволяет биологии как науке развиваться более быстрыми темпами в правильном направлении.

Развитие знаний о клетке

Попытки изобретения микроскопа известны со времен Древнего Рима. Однако, первым ученым, использовавшим его в 1665 г. для изучения живых организмов стал Р. Гук. Он первым описал пористое строение пробки, и дал название увиденным структурам — «клетки».

Примерно через 10 лет итальянский исследователь М. Мальпиги и англичанин Н. Грю сделали описание различных органов растений в строении которых обнаружили клетки.

В этот же период голландец А. Левенгук описал простейшие одноклеточные организмы.

В следующем, 18-м веке ученые не придавали важного значения наличию клеток в живых организмах, считая их пустотами в сплошных тканях.

В начале 19-го века случилось важное – физики смогли значительно улучшить конструкцию микроскопа, создав ахроматические линзы. Это вызвало новый интерес к микроскопированию и среди биологов.

Различные ученые стали делать описания клеточной структуры тканей живых организмов. Были описаны растительные клетки, определено, что ядра находятся во всех клетках организма, открыто, что обмен веществ происходит на уровне клетки. Другими учеными изучались животные ткани, проводилось сравнение их строения с растительными, хотя были и ошибочные представления – иногда клетки рассматривались именно как пустые пространства, часто путались клетки и ядра. Маттиас Шлейден выполнил большое количество точных описательных работ, но считал, что клетки зарождаются из бесструктурного вещества, а центром концентрации каждой из них становится ядро.

Только Томасу Шванну в 1838 г удалось рассмотреть общие структуры и закономерности в развитии клеток растений и животных и сделать правильные выводы.

Единство происхождения живых организмов

Основной чертой сходства всех живых организмов является их клеточное строение. Различия клеток определяются их приспособлением к различным условиям среды и длительностью эволюционного пути. Но базовая структура, способы питания, связи, размножения, химический состав, способ передачи наследственной информации – схожи у всех живых организмов. Этот факт служит доказательством общности их происхождения.

Уровневая организация и эволюция. Основные уровни организации живой природы. Биологические системы

Жизнь имеет различные уровни организации, выделяемые наукой в иерархическом порядке и отличающиеся по сложности строения и функционирования:

• Клеточный. Клетка признана наименьшей единицей живого. Из более или менее сложных клеток различной структуры состоят все живые организмы, кроме вирусов, выделенных в отдельное царство. Клетка может быть самостоятельным организмом (например, бактерии и простейшие) или составлять ткани сложного организма (тогда клетки могут иметь разное строение, быть приспособленными под конкретные функции). На клеточном уровне могут изучаться многоклеточные организмы, а также строение клеток и сложность их организации у одноклеточных.
• Организменный. На этом уровне изучаются отдельные организмы, к которым относятся как многоклеточные, так и одноклеточные. На этом уровне организации биологическими науками изучаются процессы рождения, роста, питания, морфологические признаки, анатомия.
• Популяционно-видовой. Изучением живого на этом уровне занимаются экология и генетика популяций. Этот уровень рассматривает общности видов и популяций, имеющих собственные отличительные признаки, их взаимодействие между собой, ареалы обитания.
• Биогеоценотический, биосферный. Этот уровень организации живого рассматривает способы взаимодействия между собой популяций разных видов, изучает потоки вещества и энергии, роль факторов внешней среды. На этом уровне жизнь изучается биогеографией, биоценологией, экологией.

Биологические системы

Общими признаками биологических систем были признаны их базовые отличия от неживых. Неживые организмы могут обладать отдельными признаками живых – например реагировать на раздражения на химическом или физическом уровне, двигаться под воздействием внешних сил, расти, как химические кристаллы и т. д. Но живой организм всегда обладает не меньше чем несколькими признаками из следующего списка отличительных черт:

• Клеточное строение, которое характерно только для живых организмов.
• Химический состав. Для живых объектов характерным является строение из сложных органических веществ, их функциональной основой являются белки.
• Наличие метаболизма и превращений энергии. Процесс жизни возможен только за счет химических превращений одних веществ в другие, обмена веществами и энергией с окружающей средой.
• Гомеостаз – это саморегуляция. Сложный комплекс биохимических реакций и физических взаимодействий позволяет живому организму сохранять баланс температуры, количества жидкости, наличия определенных веществ в себе. При серьезных нарушениях этого баланса – организм может погибнуть.
• Раздражимость. Это способность организма реагировать на внешние влияния – изменение температуры, освещенности, прикосновения и прочие. Эта способность помогает организму реагировать на изменения условий среды и сохранять себя в живом состоянии, избегая негативных влияний и используя для жизнеобеспечения позитивные.
• Движение. Не все живые организмы обладают способностью двигаться, некоторые неподвижны в течение всей своей жизни, у других подвижны только формы для размножения, выбрасываемые во внешнюю среду. К ним можно отнести плоды высших растений, споры мхов и папоротников.
• Рост и развитие. Живые организмы обладают ограниченной способностью к росту, кроме растительных, которые увеличиваются в процессе всей жизни. Тем не менее, развитие организма, усложнение и изменение его структуры происходит в течение всего периода существования.
• Воспроизведение. Это базовый признак живого организма. Способность к размножению различными способами – половым, бесполым, вегетативным свойственна только живым организмам.

Эволюция. Появление с течением времени новых форм живого, вследствие изменения их строения и свойств, приспособления к другим условиям среды также относится к базовым отличительным признакам живого.

Биология как наука, её достижения, методы познания живой природы

Отдельной наукой биология стала в 19-м веке, когда термин «биология» начали использовать сразу несколько ученых – Жан Батист Ламарк и Готфрид Рейнхольд Тревиранус в 1802 г и Фридрих Бурдах в 1800. До этого изучением некоторых аспектов живого занимались естественная история и медицина.

Объектом изучения биологии является жизнь в любых ее проявлениях – эволюция, распределение живого на планете, его структура, процессы функционирования, классификация, взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой.

Основой современной биологии являются 5 базовых принципов:

• клеточная теория;
• генетика;
• эволюция;
• гомеостаз;
• энергия.

Методы биологии

Методами биологии называются приемы, используемые учеными для приобретения новых знаний о живых организмах. 

Основным правилом для любого ученого является принцип «ничего не принимать на веру» – каждое явление должно быть точно изучено и о нем должно быть получено достоверное знание.

Методами биологии называют приемы, с помощью которых строится система точного научного знания. К ним относятся:

• Наблюдение. Первое столкновение ученых с чем-то еще не изученным.
• Описание явления, нового организма, его особенностей;
• Систематизация. Это процесс соотнесения нового знания с уже имеющимися системами – определение места вновь открытого организма на древе эволюции, его химического строения, особенностей размножения и других свойств с уже имеющимися системами знания;
• Сравнение. Поиск похожих явлений, изучение уже встречавшихся подобных свидетельств других ученых, описаний и неоконченных исследований;
• Эксперимент. Проведение серий экспериментов для подтверждения или опровержения новой теории или гипотезы.
• Аналитический метод. Подразумевает сбор и сравнение всей информации по какому-либо вопросу.
• Исторический метод. Позволяет изучить закономерности исторического развития организмов, обращаясь к уже имеющемуся знанию.
• Моделирование. Построение и расчет возможных вариантов строения организма, функционирования его органов, его взаимодействия с другими живыми организмами. Это могут быть компьютерные модели, трехмерные модели строения, математический метод. 

Используются универсальные, общие для всех наук правила построения научных теорий:

• наблюдение какого-либо явления, свойства живого организма, его особенности;
• выдвижение гипотезы – как и почему возможен наблюдаемый феномен, его предварительное объяснение на базе ранее известных знаний;
• эксперимент – постоянно ли явление или имеет случайный характер, одинаково ли проявляется при изменении условий эксперимента, какие конкретно условия оказывают на него влияние;
• после экспериментального подтверждения гипотеза становится теорией;
• для проверки теории и поиска точных ответов на вопросы, ученые проводят дополнительные эксперименты.

А также применяются методы, свойственные каждой конкретной науке, для биологии это:

• генеалогический. Поиск предков, соотнесение вновь открытого организма с возможными родственными на древе эволюции;
• культура тканей. Для изучения физиологических особенностей организма, влияния на него различных факторов проводятся исследования образцов его тканей;
• эмбриологический. Изучение процесса развития живого организма до его рождения;
• цитогенетический. Исследования генома и строения клеток;
• биохимический. Химические исследования клеточного содержимого, тканей, внутренней среды и выделений организма.

Биологических методов очень много, кроме вышеперечисленных в науке широко используются: гибридизация, палеонтологический, центрифугирование и многие другие.

Роль биологии в формировании естественнонаучной картины мира

Знания о биосфере помогают человечеству делать прогнозы долгосрочных и краткосрочных процессов на Земле и стараться управлять ими. Так, зная о роли зеленых растений в формировании кислородной среды планеты – человек понимает важность сохранения лесов. Владея знаниями о взаимоотношениях организмов – в настоящее время человечество уже не допускает опасных экспериментов по внесению в устойчивую экосистему новых животных и растений, это даже прописано в международном законодательстве. Таких ошибок, как завоз кроликов в Австралию или енотовидной собаки на Дальний Восток СССР человек уже не допускает. В настоящее время в Калифорнии проблемой стали заносные виды растений, угнетающие реликтовые ценные виды местной флоры.

Биологические науки позволяют решить многие проблемы с обеспечение продовольственной безопасности. Выведение новых сортов растений и видов животных, позволяют повысить урожайность, защитить посевы от вредителей, увеличить производительность сельского хозяйства.  

Генетика и физиология на настоящий момент играют очень важную роль в получении медицинских знаний, способствуя развитию новых методов лечения, созданию лекарств, позволяя победить считавшиеся неизлечимыми заболевания и патологии, а также заранее предупредить и остановить их развитие.

С помощью микробиологии разрабатываются вакцины и сыворотки, новые сорта пищевых продуктов и напитков. 

Дендрология и экология позволяют обеспечить восполняемым природным ресурсом – древесиной строительную и целлюлозно-бумажную отрасли промышленности.

Энтомология и ботаника – помогают разработать и улучшить уже известные виды тканей.

Любая из биологических наук, включая палеонтологию и прочие, кажущиеся неважными – оказывает сильное влияние на представление знаний об истории развития планеты, месте человека среди живых организмов, помогает повысить качество жизни и защитить от влияния вредных факторов внешней среды.

Систематика

По-сути, систематика — это план разбора анатомии человека.

Все клетки организма человека — эукариотические ( имеющие ядро), ядра нет только у эритроцитов и тромбоцитов.

При этом, рождаются они как эукариотические — с ядром, но затем теряют его.

Человек относится к царству животных — основное запасное питательное вещество в клетках — белок, в клетках есть центриоли, клеточной стенки нет.

Многоклеточность

Клетки разного строения и функций объединены в ткани, ткани, соответственно, в органы и т.д.

В анатомии человека выделяют 4 основных вида тканей:

1. покровная (эпителиальная) — клетки плотно пригнаны друг к другу, очень мало межклеточного вещества, высокая способность к митозу;

2. мышечная — главная особенность — клетки вытянутые, могут быть многоядерными, с большим количеством митохондрий;

3. нервная — уникальные клетки — нейроны — тело, короткие отростки и один длинный. Не способны к делению;

4. соединительная — очень разные клетки, непохожие, но отличительная черта все же есть — очень много межклеточного вещества.

Тип Хордовые, подтип Позвоночные

Уже эта характеристика выделяет человека как организм высокоорганизованный.

Позвоночник и скелет означают, что организм активно передвигается ⇨ должна быть развита опорно-двигательная система (кости и мышцы) ⇨ должен быть интенсивный обмен веществ ⇨ все эти системы должны хорошо координироваться и регулироваться — мы можем сделать вывод, что у человека отлично развита нервная система.

Класс млекопитающие. Сходства и отличия человека

Признаки	Сходства	Отличия
Строение кожи	как и у остальных млекопитающих, кожа многослойная, очень много желез, волосяной покров	волосяной покров человека значительно беднее, чем у остальных млекопитающих
Позвоночник	на ранних стадиях эмбрионального развития это хорда, которая затем становится позвоночником	позвоночник имеет изгибы, соответствующие прямохождению,в черепе мозговой отдел значительно больше лобного
Кровеносная система	2 круга кровообращения, 4-х камерное сердце, кровь не смешивается	—
Дыхательная система	легкие + кожа	—
Пищеварительная система	как и у остальных млекопитающих, дифференцированные зубы,жкт: глотка, пищевод, желудок, тонка кишка, толстая кишкаПищеварительные железы: печень и поджелудочная железа	жкт длиннее, чем у хищных животных, и короче, чем у травоядных.Печень человека не запасает витамин С
Выделительная система	мочеполовая система,кожалегкие	—
Нервная система	центральная и периферическая,5 отделов головного мозга	лучше развита кора, что говорит о более сложной высшей нервной деятельности,есть вторая сигнальная система
Система желез	железы внутренней и внешней секреции, желез внешней секреции много, есть молочные железы	состав гормонов