Биология

Биология (от греческих слов bios — жизнь и logos — учение) — совокупность наук о живой природе. Предмет её изучения — все проявления жизни: строение и функции живых существ и их природных сообществ, их распространение, происхождение и развитие, а также связи друг с другом и с неживой природой. Задачи биологии — исследование закономерностей этих проявлений, раскрытие сущности жизни и систематизация живых организмов. Термин «биология» был независимо предложен в 1802 году Жаном Батистом Ламарком и Готфридом Рейнхольдом Тревиранусом. Упоминания этого понятия встречаются также в работах Теодора Роозе (1797) и Карла Бурдаха (1800).

Исторический очерк

Современная биология берёт начало в древности, в странах Средиземноморья (Древний Египет, Древняя Греция). Крупнейшим биологом древности был Аристотель. В Средние века накопление биологических знаний было в основном связано с интересами медицины. Однако вскрытия человеческого тела были запрещены, и преподававшаяся по Галену анатомия на деле была анатомией животных, преимущественно свиньи и обезьяны.

В эпоху Возрождения широко распространились и комментировались труды античных философов и натуралистов (первыми ботаническими работами были комментарии к сочинениям Теофраста, Плиния Старшего и других). Затем появились оригинальные «травники» — краткие описания лекарственных растений. Андреа Чезальпино в 1583 году предпринял попытку создания классификации растений на основе строения семян, цветков и плодов. С введением практики анатомирования человеческого тела блестящих успехов достигла анатомия, что отражено в классическом труде Андреаса Везалия «О строении человеческого тела» (1543). Работы анатомов подготовили великое открытие XVII века — учение Уильяма Гарвея о кровообращении (1628), который применил для физиологических исследований количественные измерения и законы гидравлики.

Плеяда микроскопистов открыла тонкое строение растений (Роберт Гук, 1665; Марчелло Мальпиги, 1675–1679; Неемия Грю, 1671–1682) и их половые различия (Рудольф Камерариус, 1694 и другие), мир микроскопических существ, эритроциты и сперматозоиды (Антони ван Левенгук, с 1673), изучила строение и развитие насекомых (Мальпиги, 1669; Ян Сваммердам, с 1669). Эти открытия привели к возникновению противоположных направлений в эмбриологии — овизма и анималькулизма — и к борьбе концепций преформизма и эпигенеза.

В области систематики Джон Рей описал в «Истории растений» (1686–1704) свыше 18 тысяч видов, сгруппированных в 19 классов. Он же дал определение понятию «вид» и создал классификацию позвоночных, основанную на анатомо-физиологических признаках (1693). Жозеф Питтон де Турнефор распределил растения по 22 классам (1700).

В XVIII веке фундаментальную «Систему природы» (1735 и позже), основанную на признании неизменности изначально сотворённого мира, создал Карл Линней, применив бинарную номенклатуру. Сторонник ограниченного трансформизма Жорж-Луи Леклерк де Бюффон построил смелую гипотезу о прошлой истории Земли, разделив её на ряд периодов, и, в отличие от креационистов, относил появление растений, животных и человека к последним эпохам. Опытами по гибридизации Йозеф Кёльрёйтер окончательно доказал наличие полов у растений и показал участие в оплодотворении и развитии как яйцеклеток, так и пыльцы (1761 и позже). Жан Сенебье (1782) и Никола Теодор де Соссюр (1804) установили роль солнечного света в способности зелёных листьев выделять кислород и использовать для этого углекислый газ воздуха. В конце XVIII века Ладзаро Спалланцани провёл опыты, опровергшие господствовавшую в биологии идею возможности самозарождения организмов.

Уже со второй половины XVIII и в начале XIX века всё настойчивее в той или иной форме возникали идеи исторического развития живой природы. Шарль Бонне развил (1745, 1764) идею «лестницы существ», которую эволюционно истолковал Жан Батист Ламарк (1809). Эволюционные идеи Ламарка в то время не получили признания и подвергались критике со стороны многих учёных, среди которых был Жорж Кювье — основоположник сравнительной анатомии и палеонтологии животных, выдвинувший (1812) учение о катастрофах. Антиэволюционные концепции Кювье утвердились в 1830 году в результате дискуссии с Этьеном Жоффруа Сент-Илером, пытавшимся обосновать натурфилософское учение о «единстве плана строения» животных и допускавшим возможность эволюционных изменений под прямым воздействием внешней среды.

Идея развития организмов нашла убедительное подтверждение в эмбриологических исследованиях Каспара Фридриха Вольфа (1759, 1768), Христиана Пандера (1817) и Карла Эрнста фон Бэра (1827), в установлении Бэром принципов сравнительной эмбриологии позвоночных (1828–1837). Обоснованная Теодором Шванном (1839) клеточная теория сыграла огромную роль в понимании единства органического мира и в развитии цитологии и гистологии.

В середине XIX века были установлены особенности питания растений и его отличие от питания животных, сформулирован принцип круговорота веществ в природе (Юстус фон Либих, Жан Батист Буссенго). В физиологии животных крупных успехов достигли работы Эмиля Дюбуа-Реймона, заложившего основы электрофизиологии; Клода Бернара, выяснившего роль ряда секреторных органов в пищеварении (1845, 1847) и доказавшего синтез гликогена в печени (1848); Германа Гельмгольца и Карла Людвига, разработавших методы изучения нервно-мышечной системы и органов чувств. Иван Михайлович Сеченов заложил основы материалистического понимания высшей нервной деятельности («Рефлексы головного мозга», 1863). Луи Пастер окончательно опроверг возможность самозарождения современных организмов (1860–1864). Сергей Николаевич Виноградский обнаружил (1887–1891) бактерии, способные путём хемосинтеза образовывать органические вещества из неорганических. Дмитрий Иосифович Ивановский открыл (1892) вирусы.

Крупнейшим завоеванием XIX века стало эволюционное учение Чарлза Дарвина, изложенное им в труде «Происхождение видов...» (1859), где он раскрыл механизм эволюционного процесса путём естественного отбора. Утверждение в биологии дарвинизма способствовало разработке ряда новых направлений:

  • эволюционной сравнительной анатомии (Карл Гегенбаур);
  • эволюционной эмбриологии (Александр Онуфриевич Ковалевский, Илья Ильич Мечников);
  • эволюционной палеонтологии (Владимир Онуфриевич Ковалевский).

Большие успехи, достигнутые в 1870–1880-х годах в изучении сложных процессов клеточного деления (Эдуард Страсбургер, 1875; Вальтер Флемминг, 1882 и другие), созревания половых клеток и оплодотворения (Оскар Гертвиг, с 1875; Герман Фоль, 1877; Эдуард ван Бенеден, 1884; Теодор Бовери, 1887, 1888) и связанных с ними закономерностей распределения хромосом в митозе и мейозе, породили множество теорий, искавших в ядре половых клеток носителей наследственности (Фрэнсис Гальтон, 1875; Карл Негели, 1884; Эдуард Страсбургер, 1884; Август Вейсман, 1885–1892; Хуго Де Фриз, 1889). Однако закономерности наследственности, обнаруженные Грегором Менделем (1865), остались незамеченными вплоть до 1900 года, когда они были переоткрыты и легли в основу генетики.

Отправными пунктами развития генетики в начале XX века стали менделизм и мутационная теория (Хуго Де Фриз, 1901–1903), способствовавшие в дальнейшем синтезу генетики и дарвинизма. Была сформулирована хромосомная теория наследственности (Теодор Бовери, 1902–1907; Уолтер Сеттон, 1902), однако лишь Томас Хант Морган и его школа (с 1910) обосновали и разработали её полностью. На основе учения Вильгельма Иогансена о чистых линиях (1903) им были введены понятия ген, генотип, фенотип (1909).

Химическая природа генов и матричный принцип их воспроизведения сначала были постулированы теоретически в форме представления о «наследственных молекулах» (Николай Константинович Кольцов, 1927). В дальнейшем было показано, что носителями генетической информации являются молекулы ДНК (О. Эйвери, К. Мак-Леод, М. Мак-Карти, 1944). Установление структуры ДНК (Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, 1953) привело к раскрытию генетического кода, дало мощный толчок развитию молекулярной биологии (в широком смысле — комплексу направлений, объединяемых понятием физико-химическая биология), а позднее — генетической инженерии и биотехнологии.

В области физиологии животных Иван Петрович Павлов разработал учение об условных рефлексах и высшей нервной деятельности; бурно развивалась нейрофизиология. Физиология растений добилась значительных успехов в изучении фотосинтеза.

Существенное развитие в XX веке получила эволюционная теория. В 1920–1930-х годах была раскрыта роль в эволюции мутационного процесса, колебаний численности популяций и изоляции при направленном действии отбора. Это позволило разработать синтетическую теорию эволюции, развивающую дарвинизм (Сергей Сергеевич Четвериков, Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн, Рональд Фишер, Сьюэлл Райт, Джулиан Хаксли, Феодосий Григорьевич Добржанский, Эрнст Майр и другие), включающую учения о факторах эволюции (Иван Иванович Шмальгаузен и другие), о микроэволюции и макроэволюции.

Крупнейшим достижением биологии является создание Владимиром Ивановичем Вернадским биогеохимии и учения о биосфере (1926), Владимиром Николаевичем Сукачёвым — биогеоценологии (1942), Артуром Тенсли — учения об экосистемах (1935). На основе этих учений научно разрабатывается стратегия взаимоотношений человечества с природой. Трудами Виктора Шелфорда (1912, 1939), Чарлза Элтона (1934) и многих других были заложены основы экологии как науки о взаимосвязи между организмами и окружающей средой. С середины XX века успехи экологии, а также становящиеся всё более серьёзными проблемы охраны природы привели к «экологизации» многих биологических наук и способствовали утверждению современного системного подхода в популяционной биологии.

Система биологических наук

Одними из первых в биологии сложились комплексные науки по объектам исследования:

  • о животных — зоология;
  • о растениях — ботаника;
  • анатомия и физиология человека — основа медицины.

В рамках зоологии сформировались более узкие дисциплины, например:

В ботанике выделились:

В самостоятельные науки выделились микробиология, микология (наука о грибах), лихенология (о лишайниках), вирусология. Многообразие организмов и их распределение по группам изучают систематика животных и систематика растений. Изучением прошлой истории органического мира занимается палеонтология и её разделы — палеозоология, палеоботаника, палеоэкология и другие.

Другой аспект классификации биологических дисциплин — по исследуемым свойствам и проявлениям (механизмам) живого:

  • Форму и строение организмов изучают морфологические дисциплины — цитология, гистология, анатомия.
  • Состав и ультраструктуру тканей и клеток — биохимия, биофизика, молекулярная биология.
  • Образ жизни животных и растений и их взаимоотношения с условиями среды обитания — экология и более специально — гидробиология, биогеография, биогеоценология и так далее.
  • Функции живых существ изучают физиология животных и физиология растений.
  • Закономерности поведения животных — этология.
  • Закономерности наследственности и изменчивости — предмет исследований генетики.
  • Закономерности индивидуального развития изучает эмбриология или, в более широком современном понимании, — биология развития.
  • Историческое развитие — эволюционное учение.

Широкое проникновение математики в разделы биологии вызвало к жизни математическую биологию, биометрию.

В целом для биологии характерно взаимопроникновение идей и методов различных биологических дисциплин, а также других наук — химии, физики, математики. В XX веке возникли новые биологические дисциплины и направления на границах смежных наук, а также в связи с практическими потребностями (радиобиология, космическая биология, физиология труда, социобиология и другие).

Уровни организации и изучения жизненных явлений

Для живой природы характерно сложное, иерархическое соподчинение уровней организации её структур. Вся совокупность органического мира Земли вместе с окружающей средой образует биосферу (биосферный уровень), которая складывается из биогеоценозов (биогеоценотический уровень). Свободно скрещивающиеся между собой особи одного и того же вида образуют популяции (популяционно-видовой уровень). Составляющие их особи (организменный уровень) у многоклеточных состоят из органов и тканей (органно-тканевой уровень), образованных различными клетками (клеточный уровень). Клетки, как и одноклеточные организмы, состоят из внутриклеточных структур (субклеточный уровень), которые строятся из молекул (молекулярный уровень).

Для каждого из названных уровней характерны специфические закономерности, связанные с различными масштабами явлений, принципами образования и организации, особенностями взаимоотношений с выше- и нижележащими уровнями.

Значение биологии для сельского, лесного, промыслового хозяйства и медицины

Необходимые для питания белки, жиры, углеводы, витамины человек получает главным образом от культурных растений и домашних животных. Знание законов генетики и селекции, а также физиологических особенностей культурных и одомашненных видов позволяет совершенствовать агротехнику и зоотехнику, выводить более продуктивные сорта растений и породы животных. Уровень знаний в области биогеографии и экологии определяет возможность и эффективность интродукции и акклиматизации видов. Биохимические исследования позволяют полнее использовать получаемые органические вещества растительного и животного происхождения, а также наладить их лабораторный и промышленный синтез. Развитие в последние десятилетия генетической инженерии открывает широкие перспективы для биотехнологии и производства биологически активных и лекарственных веществ.

Исключительно важное значение имеет биология как теоретическая основа ведения сельского, лесного и промыслового хозяйства. Познание закономерностей размножения и распространения болезнетворных вирусов и бактерий, а также паразитических организмов необходимо для успешной борьбы с инфекционными и паразитарными заболеваниями человека и животных.

Заключение

Прогресс биологии в XX веке, её возросшая роль среди других наук и для существования человечества определяют иной облик биологии по сравнению с тем, какой она имела 40–50 лет назад. По уровню биологических исследований ныне можно судить о материально-техническом развитии общества, так как биология становится реальной производительной силой, а также рациональной научной основой отношений между человеком и природой. Только на основе биологических исследований возможно решение одной из самых грандиозных и насущных задач, вставших перед человечеством, — управление эволюцией биосферы с целью сохранения и поддержания условий существования и развития цивилизации.

Современный контекст

Сегодня биология переживает период невиданного роста, движимый революцией в области геномики, биоинформатики и синтетической биологии. Расшифровка геномов человека и множества других организмов открыла новые горизонты для персонализированной медицины, понимания генетических основ болезней и эволюции. Методы редактирования генома, такие как CRISPR-Cas9, позволяют целенаправленно изменять наследственный материал, что имеет огромный потенциал как для фундаментальных исследований, так и для приложений в сельском хозяйстве и медицине. Одновременно с этим, перед биологией стоят глобальные вызовы: изменение климата, утрата биоразнообразия, появление новых патогенов. Современная биология, интегрирующая данные с молекулярного до экосистемного уровня, становится ключевой наукой для разработки стратегий устойчивого развития и сохранения жизни на Земле.