Что изучает биология: система наук о живом

Биология не всегда была наукой в нынешнем смысле. Долгое время она была описанием: что где растёт, кто на кого похож. Превращение в науку — это несколько открытий, каждое из которых дало объяснение, а не перечень. Их и спрашивают в заданиях на авторство.

XVII век. Клетка. Роберт Гук в 1665 году рассмотрел под самодельным микроскопом срез пробки и увидел ячейки, которые назвал клетками. Строго говоря, он видел лишь оболочки мёртвых клеток. Живые клетки и микроорганизмы впервые увидел Антони ван Левенгук, шлифовавший линзы невиданного по тем временам качества.

XVIII век. Система. Карл Линней ввёл бинарную номенклатуру: каждый вид получает имя из двух латинских слов — род и видовой эпитет. До него описания видов были фразами длиной в абзац, и договориться, о ком речь, было невозможно.

XIX век. Три главных шага.

• • Клеточная теория (1838–1839): М. Шлейден и Т. Шванн обобщили, что и растения, и животные состоят из клеток. В 1855 году Р. Вирхов добавил решающий тезис: «всякая клетка — от клетки», то есть клетки не возникают из бесструктурного вещества.
• • Эволюция (1859): Ч. Дарвин объяснил, как возникает приспособленность, — через наследственную изменчивость и естественный отбор.
• • Законы наследственности (1865): Г. Мендель показал, что признаки передаются дискретными единицами. Работа была опубликована и почти на сорок лет забыта.

XX век. Механизм. Л. Пастер ещё в 1860-х опытом с колбами с изогнутым горлышком опроверг самозарождение жизни. А в 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель двойной спирали ДНК, опираясь в том числе на рентгенограммы Розалинд Франклин. С этого начинается молекулярная биология.

Ловушка на авторстве, которую ставят почти каждый год: термин «клетка» ввёл Гук, живые клетки первым увидел Левенгук, клеточную теорию создали Шлейден и Шванн, а Вирхов её дополнил. Путать эти четыре роли нельзя.

Науки о живом существовали за две тысячи лет до того, как у них появилось общее имя. Аристотель в IV веке до н. э. написал «Историю животных» и описал около пятисот видов, разделив их на «животных с кровью» и «животных без крови» — по сути, на позвоночных и беспозвоночных. Его ученик Теофраст сделал то же для растений и заслужил прозвище «отец ботаники». Но всё это называлось естественной историей: единой науки о жизни не было, были описания зверей, трав и человеческого тела по отдельности.

Слово «биология» появилось только на рубеже XVIII и XIX веков — почти одновременно у немецкого врача Готфрида Тревирануса и у французского натуралиста Жана Батиста Ламарка (1802). Оно сложено из двух греческих корней: bios — «жизнь» и logos — «слово, учение». Появление термина — не формальность: оно означало, что у растений, животных, грибов и человека нашли общий предмет. Этим предметом и стала жизнь как явление.

Что именно позволило объединить такие разные объекты? Три открытия, каждое из которых доказывало общность живого.

Первое — клетка. В 1665 году Роберт Гук рассмотрел под микроскопом срез пробки и назвал увиденные ячейки cells — «клетками». В 1670-е годы Антони ван Левенгук своими линзами увидел бактерии, простейших и сперматозоиды. А в 1838–1839 годах Маттиас Шлейден и Теодор Шванн обобщили: и растение, и животное состоят из клеток. Оказалось, что дуб и лошадь построены из одного материала.

Второе — общность химии. Ещё в 1828 году Фридрих Вёлер получил мочевину из неорганической соли — цианата аммония и тем разрушил представление о «жизненной силе», без которой органика якобы не образуется. Стало ясно: живое состоит из тех же атомов, что и неживое, и подчиняется тем же законам химии.

Третье — общее происхождение. В 1859 году Чарлз Дарвин в «Происхождении видов» объяснил, почему организмы похожи: они родственники. Сходство перестало быть загадкой и стало доказательством.

После этого биология и превратилась из коллекции описаний в науку с собственными законами. Дальнейшая её история — история дробления на десятки дисциплин, и именно этот список спрашивают в задании 1.

В заданиях часто просят назвать значение биологии, и ответ «чтобы знать природу» баллов не приносит. Полезно держать наготове конкретные направления.

Медицина. Понимание строения и работы организма — основа диагностики и лечения. Знание микробиологии дало вакцины и антибиотики; знание генетики — диагностику наследственных болезней и генную терапию; знание биохимии — лекарства, действующие на конкретный фермент.

Сельское хозяйство и селекция. Законы Менделя и учение о центрах происхождения культурных растений (Н. И. Вавилов) позволяют выводить сорта с нужными признаками. Знание экологии — строить севооборот и бороться с вредителями без сплошной химии.

Биотехнология. Использование живых организмов в производстве: дрожжи в хлебопечении и виноделии, бактерии в производстве кисломолочных продуктов, генно-модифицированные бактерии для получения человеческого инсулина. Последнее возможно именно потому, что генетический код универсален — бактерия правильно прочитает человеческий ген.

Охрана природы. Экология даёт основания для заповедников, Красных книг, ограничений на вылов и вырубку. Без понимания устойчивости экосистем эти меры превратились бы в произвол.

Смежные науки. Биология давно перестала быть отдельной: на её границах выросли биохимия, биофизика, бионика (технические решения, подсмотренные у природы), биоинформатика. Именно поэтому в задании 1 могут спросить, какая наука изучает тот или иной объект, — и ответ нередко составной.

Разделов биологии несколько десятков, и заучивать их списком тяжело. Гораздо надёжнее понять, по какому признаку наука отделилась от соседей. Способов ровно три, и каждый раздел получается пересечением этих признаков.

Способ первый: по группе организмов. Кто изучается — тот и даёт имя. Ботаника — растения, зоология — животные, микология — грибы, микробиология — микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, простейшие), вирусология — неклеточные формы, альгология — водоросли, бриология — мхи, лихенология — лишайники. Внутри зоологии то же дробление продолжается: орнитология — птицы, териология — млекопитающие, ихтиология — рыбы, энтомология — насекомые, герпетология — земноводные и пресмыкающиеся, арахнология — паукообразные, протозоология — простейшие.

Способ второй: по уровню организации и стороне жизни. Здесь наука отвечает не на вопрос «кто», а на вопрос «что именно рассматриваем». Цитология — клетка, гистология — ткани, анатомия — внутреннее строение органов и их взаимное расположение, морфология — внешнее строение и форма, физиология — функции и процессы жизнедеятельности, эмбриология — зародышевое развитие, генетика — наследственность и изменчивость, этология — поведение животных в естественной среде, экология — взаимоотношения организмов друг с другом и со средой, систематика — классификация и распределение по группам, палеонтология — ископаемые остатки вымерших организмов, биогеография — распространение организмов по земному шару.

Способ третий: по соседней науке, с которой биология срослась. Такие дисциплины называют пограничными, и их имена читаются буквально. Биохимия — химия веществ живого, биофизика — физические процессы в организме, биоинформатика — обработка биологических данных вычислительными методами, радиобиология — действие излучений на организм, космическая биология — жизнь в условиях невесомости и космической радиации, бионика — техника, копирующая решения природы. Сюда же относят прикладные ветви: биотехнология, селекция, генная инженерия.

Как этим пользоваться в задании. Прочитайте описание в таблице и спросите себя: названа группа организмов (тогда ищите науку первого типа), названа сторона жизни (тогда второго) или названа другая наука рядом (тогда третьего). Одно это решает большинство вариантов задания 1, даже если конкретный термин вы видите впервые: «наука о распространении организмов по земному шару» — сторона жизни, география + биология, ответ «биогеография».

Экзамен спрашивает не только «кто чем занимается», но и «зачем». Разделение простое: фундаментальное исследование отвечает на вопрос «как устроено и почему так работает», прикладное — на вопрос «как это использовать». Одно без другого не живёт: прикладной результат почти всегда вырастает из фундаментального открытия, сделанного задолго до него и часто без всякой практической цели.

Посмотрите на цепочки — их полезно уметь разворачивать вслух.

Цепочка первая: от гороха до сортов. Мендель в 1865 году считал горошины в монастырском саду — занятие абсолютно бесполезное с точки зрения современника. Через полвека вновь открытые законы наследования легли в основу селекции: появились гибридные сорта кукурузы, короткостебельная пшеница «зелёной революции», устойчивые к болезням сорта картофеля. Фундаментальная генетика превратилась в хлеб.

Цепочка вторая: от плесени до антибиотиков. Наблюдение Александра Флеминга 1928 года о том, что плесень Penicillium подавляет рост бактерий, было чистой случайностью на грязной чашке Петри. К 1940-м годам Флори и Чейн довели пенициллин до лекарства, и хирургия перестала быть игрой со смертью от заражения.

Цепочка третья: от структуры ДНК до генной инженерии. Уотсон и Крик в 1953 году опубликовали модель двойной спирали — знание, не сулившее никакой выгоды. Сегодня на нём стоит генная инженерия: бактерии, в которые встроен человеческий ген, производят инсулин для больных диабетом, гормон роста, интерферон. До этого инсулин добывали из поджелудочных желёз свиней и коров.

Где биология работает прямо сейчас.

• • Медицина: диагностика наследственных болезней, вакцины, трансплантология, лекарства на основе моноклональных антител.
• • Сельское хозяйство: селекция сортов и пород, биологическая защита растений (вместо ядохимикатов — естественные враги вредителей), севообороты.
• • Промышленность: биотехнология — производство лекарств, ферментов для стиральных порошков, кормового белка, спирта, кисломолочных продуктов с помощью микроорганизмов.
• • Охрана природы: биоиндикация — оценка чистоты среды по составу живущих в ней организмов. Лишайники исчезают там, где в воздухе много диоксида серы; по видам ручейников и подёнок в реке судят о её загрязнении.
• • Техника: бионика подсматривает у природы конструкции — присоски, липучка-репейник, форма крыла, эхолокация.

Что из этого спрашивают. Формулировку «фундаментальные исследования не имеют немедленного практического выхода, но создают основу для прикладных» стоит запомнить: её проверяют и в задании 1, и в развёрнутых заданиях второй части, где просят объяснить значение биологии для человека.

Слова «гипотеза», «теория» и «закон» в обиходной речи означают примерно одно — «предположение». В науке они означают разные ступени надёжности, и экзамен эту разницу проверяет.

Факт — установленное наблюдением или измерением событие: «в ядре клетки человека 46 хромосом», «ива за пять лет прибавила 74,45 кг». Факт сам по себе ничего не объясняет.

Гипотеза — предположение, объясняющее факты и допускающее проверку. Требование проверяемости обязательно: утверждение «жизнь возникла по воле непознаваемых сил» гипотезой не является не потому, что оно плохое, а потому, что его нельзя опровергнуть ни одним опытом. Хорошая гипотеза формулируется так, что заранее ясно, какой результат её похоронит. Гипотеза Нидхэма о самозарождении микробов была настоящей гипотезой, и опыт Пастера её опроверг.

Теория — гипотеза, многократно подтверждённая независимыми проверками и объясняющая широкий круг явлений. В биологии их немного, и все они на слуху: клеточная теория, хромосомная теория наследственности Т. Моргана, синтетическая теория эволюции. Теория не «ещё не доказанное предположение» — наоборот, это высшая форма научного объяснения.

Закон — устойчивая, повторяющаяся связь между явлениями, чаще всего выражаемая формулой или строгим правилом. Биологические законы стоит знать поимённо, потому что их спрашивают:

• • законы Г. Менделя — единообразия гибридов первого поколения, расщепления 3:1, независимого наследования признаков;
• • закон сцепленного наследования Т. Моргана — гены одной хромосомы наследуются вместе, если между ними не произошёл кроссинговер;
• • биогенетический закон Ф. Мюллера и Э. Геккеля — онтогенез есть краткое повторение филогенеза;
• • закон зародышевого сходства К. Бэра — у зародышей одного типа ранние стадии похожи сильнее, чем поздние;
• • закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н. И. Вавилова — близкие виды и роды дают сходные ряды наследственных изменений, и, зная ряд у одного вида, можно предсказать форму у другого;
• • закон минимума Ю. Либиха — выносливость организма определяет фактор, которого не хватает больше всего;
• • правило экологической пирамиды — при переходе на следующий трофический уровень передаётся около 10 % энергии.

Как это спрашивают. Во-первых, прямо: «закон, согласно которому…». Во-вторых, косвенно — в заданиях на методы и эксперимент, где нужно назвать, что именно проверял исследователь: факт, гипотезу или следствие из теории. В-третьих, в развёрнутых заданиях второй части, где формулировка «гипотеза» требует именно предположения в форме «если… то…», а не описания результата.