Модели и моделирование в биологии

 

Содержание

1. Концептуальные уровни в химии….………………………………..2
2. Концептуальные уровни в биологии………………………………..3
3. Модели и моделирование в биологии…………………….……......9
4. Список использованной литературы…….………………………....16

 

1. Концептуальные уровни современной химии

    По мере развития химии до ее современного уровня в ней сложились четыре совокупности подходов к решению основной задачи. Развитие этих подходов обусловило формирование четырех концептуальных систем химических знаний.

    Концептуальные  подходы к решению основной проблемы химии, появлялись последовательно.

    Первоначально свойства веществ связывались исключительно с их составом (в этом суть учения о составе). На этом уровне развития содержание химии исчерпывалось ее традиционным, менделеевским определением - как науки о химических элементах и их соединениях.

    Далее учение о составе было дополнено  концепцией структурной химии. Структурная  концепция объединяет теоретические  представления в химии, устанавливающие  связь свойств веществ не только с составом, но и со структурой молекул. В рамках этого подхода возникло понятие «реакционная способность», включающая представление о химической активности отдельных фрагментов молекулы — отдельных ее атомов (и даже отдельных химических связей) или целых атомных групп. Структурная концепция позволила превратить химию из преимущественно аналитической науки в науку синтетическую. Этот подход позволил в конечном итоге создать промышленные технологии синтеза многих органических веществ.

    Затем было развито учение о химических процессах. В рамках этой концепции с помощью методов физической кинетики и термодинамики были выявлены факторы, влияющие на направленность и скорость протекания химических превращений и на их результат. Химия вскрыла механизмы управления реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.

    Последний этап концептуального развития химии  связан с использованием в ней некоторых принципов, реализованных в химизме живой природы. В рамках эволюционной химии осуществляется поиск таких условий, при которых в процессе химических превращений идет самосовершенствование катализаторов реакций. По существу речь идет об изучении и применении самоорганизации химических систем, происходящих в клетках живых организмов.

    Каждая  новая концептуальная ступень в развитии химии, означает не отрицание подходов, использовавшихся ранее, а опору на них как на основание. Все показанные на схеме концептуальные системы используются не порознь, а во взаимосвязи. Последовательное дополнение химии названными концептуальными системами составляет логику развития этой науки.

    Термин  «концептуальная система», а не «концепция»  использован в приведенных выше рассуждениях не случайно. Причина этого заключается в том, что на каждой ступени рассмотренной «лесенки» развития химии, в свою очередь, были использованы различные научные идеи для решения конкретных проблем. Примером тому служит выдающееся открытие в области химии, сделанное на пути решения одной из исходных проблем химии — проблемы химического элемента.  

2. Концептуальные уровни в  биологии

     2.1 Особенности биологического уровня организации материи.

   2.1.1 ПРЕДМЕТ БИОЛОГИИ. ЕЕ СТРУКТУРА И  ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ

    Определение предмета биологии  на первый взгляд кажется довольно  простым.

   Биология - это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

      В настоящее время биология  представляет собой целый комплекс  наук о живой природе. Структуру  его можно рассматривать с разных точек зрения.

- По  объектам исследования биология  подразделяется на вирусологию,  бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.

- По  свойствам, проявлениям живого  в биологии выделяются:

морфология - наука о строении живых организмов;

физиология - наука о функционировании организмов;

 молекулярная  биология, изучающая микроструктуру  живых тканей и клеток;

экология, рассматривающая образ жизни  растений и животных и их взаимосвязи  с окружающей средой;

генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.

-По  уровню организации исследуемых  живых объектов выделяются:

 анатомия, изучающая макроскопическое строение  животных:

гистология, изучающая строение тканей;

цитология исследующая строение живых клеток.

Важнейшим инструментом дальнейшего познания этого мира служит категория «живого», являющаяся ключевой, исходной для всей системы биологических наук.

В развитии биологии выделяют три основных этапа:

1) систематики  (К. Линней),

2) эволюционный (Ч. Дарвин),

3) биологии  микромира (Г. Мендель).

 Каждый  из них связан с изменением  представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм.

 

2.1.2. Свойства живых  организмов.

         Определение сущности живого.

      Интуитивно мы все понимаем, что есть живое и что - мертвое. Так, один из авторов предложил следующее «глубокомысленное» определение:

 живой  организм - это тело, слагаемое из  живых объектов;

 неживое  тело - слагаемое из неживых объектов.

    Это означает, что дать точное  определение жизни весьма непросто. Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.

К числу  свойств живого обычно относят следующие.

- Живые  организмы характеризуются сложной,  упорядоченной структурой. Уровень  их организации значительно выше, чем в неживых системах.

- Живые  организмы получают энергию из  окружающей среды, используя ее  на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию.

- Живые  организмы активно реагируют  на окружающую среду. Если толкнуть  камень, то он пассивно сдвигается  с места. Если толкнуть животное, оно отреагирует активно: убежит, нападет или изменит форму.

Способность реагировать на внешние раздражения - универсальное свойство всех живых  существ, как растений, так и животных.

- Живые  организмы не только изменяются, но и усложняются. Так, у  растения или животного появляются новые ветви или новые органы, отличающиеся по своему химическому составу от породивших их структур.

- Все  живое размножается. Эта способность  к самовоспроизведению, пожалуй,  самая поразительная способность  живых организмов. Причем потомство  и похоже, и в то же время чем-то отличается от родителей. В этом проявляется действие механизмов наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы.

- Сходство  потомства с родителями обусловлено  еще одной замечательной особенностью  живых организмов - передавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содержится в генах - единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах.

Генетический  материал определяет направление развития организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них.

-- Живые  организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. Строение крота, рыбы, лягушки, дождевого червя полностью соответствует условиям, в которых они живут.

 Обобщая  и несколько упрощая сказанное  о специфике живого, можно отметить, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Из совокупности этих признаков вытекает следующее  обобщенное определение сущности живого:

   жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению.

     Важнейшими функциональными веществами  этих систем являются белки  и нуклеиновые кислоты.

 

2.2.  Структурные уровни  живого.

        Структурный, или системный, анализ  обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространенным является выделение на основе критерия масштабности следующих уровней организации живого.

                                

                                                                             рис. 4-1

- Биосферный - включающий всю совокупность  живых организмов Земли вместе  с окружающей их природной  средой. На этом уровне биологической наукой решается такая, в частности, проблема, как изменение концентрации углекислого газа в атмосфере. Используя этот подход, ученые выяснили, что в  последнее время концентрация углекислого газа возрастает  ежегодно на 0,4%, создавая опасность глобального повышения температуры, возникновения так называемого «парникового  эффекта».

- Уровень   биогеоценозов   выражает   следующую   ступень  структуры  живого, состоящую из участков  Земли с определенным составом  живых и неживых компонентов, представляющих     единый природный комплекс, экосистему.  Рациональное использование природы невозможно  без знания  структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.

- Популяционно-видовой  уровень образуется свободно  скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. А затем на этой основе можно будет поддерживать оптимальную численность популяций. Этот уровень также чрезвычайно важен для исследования путей исторического развития живого, его эволюции.

- Организменный  и органо-тканевый уровни отражают  признаки отдельных особей, их  строение, физиологию, поведение, а  также строение и функции органов  и тканей живых существ.

- Клеточный  и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

- Молекулярный  уровень составляет предмет молекулярной  биологии, одной из важнейших  проблем которой является изучение  механизмов передачи генной информации  и развитие генной инженерии и биотехнологии.

 

   2.3. Клеточная теория. Строение и функции  клетки

        Своего рода «первокирпичики»  имеются на каждом из основных  уровней организации природы,  в биологии это - живая клетка, которая является фундаментальной   основой  живого мира. Ее исследование помогает уяснить специфику всего живого.

    Создание клеточной теории, основы  которой были заложены немецкими  учеными Т. Шванном и М.Я.Шлейденом,  стало одним из крупнейших  достижений биологии XIX в. Основное  положение клеточной теории состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению.