ОСНОВИ МЕДИЧНОЇ БІОЛОГІЇ - 2012

Вступ до курсу медичної біології. Рівні організації живого. Оптичні системи в біологічних дослідженнях

Біологія - це наука про життя, про загальні закономірності існування і розвитку живих істот: життєві процеси ,що в них відбуваються, хід їх життєвих циклів, взаємозв’язок з оточуючим середовищем, походження, історичний та індивідуальний розвиток живих організмів.

Термін «біологія» (від грец. біос - життя, логос - наука) був введений на початку ХІХ ст.. незалежно Ж.-Б. Ламарком і Г. Тревіранусом для позначення науки про життя як про особливе явище природи. Теоретичний фундамент біології був закладений еволюційним вченням Дарвіна, клітинною теорією Шванна та целюлярною патологією Вірхова.

Предметом біології як навчальної дисципліни є життя у всіх його проявах: будова, фізіологія, поведінка, індивідуальний (онтогенез) та історичний (еволюція, філогенез) розвиток організмів, їх взаємозв’язок один з іншим та з оточуючим середовищем. На сучасному етапі біологія являє собою цілий комплекс наук. Деякі біологічні науки виникли в наслідок процесу диференціації, поступового відокремлення, що сприяло заглибленню досліджень у відповідному напрямку. Завдяки вивченню в органічному світі тварин, рослин, найпростіших одноклітинних організмів, мікроорганізмів вірусів, фагів відбулося виділення таких самостійних наук як зоологія, ботаніка, мікробіологія, вірусологія. Вивчення закономірностей, процесів та механізмів індивідуального розвитку організмів, спадковості та мінливості, зберігання, передачі та використання біологічної інформації, забезпечення життєвих процесів енергією є основою для виділення ембріології, генетики, молекулярної біології та біоенергетики. Дослідження будови, функціонування, поведінки, взаємовідносин організмів з навколишнім середовищем, історичного розвитку живої природи привели до відокремлення таких наук як морфологія, фізіологія, етологія, екологія, еволюційне вчення. Зацікавлення проблемами старіння, що викликано збільшенням середньої тривалості життя людини, стимулювало розвиток вікової біології - геронтології. Найбільш універсальні властивості та закономірності розвитку, існування організмів та їх груп вивчає загальна біологія.

Складовою біології є медична біологія - наука про людей. Вона вивчає процеси та механізми, які відбуваються в організмі людини, особливості клітинної і тканинної будови людини, фізіологію, спадковість, її генетичну систему, генотипні та індивідуальні відмінності людей, їх історичний та індивідуальний розвиток, еволюційні та адаптивні процеси в популяціях людини, пристосованість до умов середовища, виникнення порушень під впливом тератогенних та мутагенних факторів, паразитарні хвороби людини та методи їх профілактики і діагностики, географічне поширення, чисельність людських популяцій, структуру в просторі та часу. Другу половину ХХ століття називають часом біології. На сучасному етапі розвиток біології набирає високі темпи. Вже в найближчому майбутньому дослідження в галузі геноміки та генної інженерії, біології клітини та клітинної інженерії відкриють перспективи заміщення дефектних генів у особин зі спадковими хворобами, стимуляції відновлювальних процесів, контролю за розмноженням та фізіологічною загибеллю клітин та, відповідно, впливу на злоякісний ріст.

Поняття життя охоплює сукупність всіх живих організмів на Землі та умови їх існування. Суть життя полягає в тому, що живі організми залишають після себе потомство. Спадкова інформація передається з покоління у покоління. Життя - це особлива якісна, найвища форма матерії, яка, залишаючи потомство, здатна до самовідтворення. Опираючись на останні наукова дослідження сучасної біологічної науки вчені вивели нове визначення життя: «Життя - це відкриті саморегулюючі та самовідтворюючі системи живих організмів, які побудовані з складних біологічних полімерів - білків та нуклеїнових кислот». Основою всього живого вважаються нуклеїнові кислоти та білки, оскільки вони функціонуючи у клітині, утворюють складні сполуки, які входять у структуру всіх живих організмів. Краще за все дати визначення життя - це перерахувати властивості живих організмів.

Властивості живого:

1. Самооновлення, що пов’язано з постійним обміном речовин та енергії, і в основі якого лежить здатність зберігати та використовувати біологічну інформацію у вигляді унікальних інформаційних молекул: білків та нуклеїнових кислот.

2. Самовідтворення, що забезпечує спадкоємність між поколіннями біологічних систем.

3. Саморегуляція, яка базується на здатності організмів підтримувати відносну сталість хімічного складу та перебігу фізіологічних процесів - гомеостаз.

4. Обмін речовиною, енергією та інформацією є особливим способом взаємодії живих організмів із навколишнім середовищем. Живий організм є відкритою системою.

5. Ріст та розвиток. Ріст супроводжується збільшенням маси органа організму, або зростанням числа особин у популяції тощо. Розвиток - незворотні закономірні зміни біологічної системи. Розвиток складових організму - онтогенез (індивідуальний розвиток), розвиток живої природи з утворенням нових видів прогресивним ускладненням форм життя - філогенез (історичний розвиток).

6. Здатність протистояти наростанню ентропії.

7. Подразливість, що передбачає здатність організмів реагувати на певні впливи довкілля.

8. Спадковість.

9. Мінливість

10. Дискретність та цілісність.

Рівні організації живої матерії

Органічний світ на Землі являє собою складну біоценологічну систему життєвих форм, що складається з окремих комплексних утворень, біотичних угруповань різного рівня. Кожний рівень складає неперервну в розвитку, внутрішньо протилежну біотичну систему. Рівень - ступінь диференціації біологічного об'єкта.

Виділення рівнів організації біологічних систем має за мету розкриття сутності живої природи в її русі, в історичній взаємодії елементів, у пізнанні законів розвитку. Найчастіше виділяють п’ять основних структурних рівнів життя: молекулярний, клітинний, організмовий, популяційно-видовий, біосферно-біогеоценотичний.

Молекулярний рівень організації життя: це рівень функціонування біологічних макромолекул - біополімерів: нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів, ліпідів, стероїдів, що знаходяться в живій клітині.

1. Елементарні структури: молекули неорганічних та органічних сполучень, молекулярні комплекси (мембрани та ін.), коди спадкової інформації (послідовність триплетів нуклеотидів у молекулі ДНК).

2. Основні процеси: об’єднання молекул у комплекси, здійснення фізико-хімічних реакцій, відтворення кодів спадкової інформації за принципом матричного синтезу (конваріантна реплікація ДНК)

3. Науки, що ведуть дослідження на цьому рівні: біохімія, біофізика, молекулярна біологія, молекулярна генетика.

Клітинний рівень організації життя: це рівень одноклітинних організмів та клітин, що входять до складу багатоклітинних організмів.

1. Елементарні структури: клітини, комплекси молекул хімічних сполучень та органоїди клітини.

2. Основні процеси: ділення клітин, регуляція хімічних реакцій, біосинтез, фотосинтез.

3. Науки, що ведуть дослідження на цьому рівні: генна інженерія, цитогенетика, цитологія, ембріологія.

Організмовий рівень організації життя: це рівень одноклітинних та багатоклітинних організмів рослин, тварин, грибів, бактерій.

1. Елементарні структури: організми та системи органів з яких вони складаються.

2. Основні процеси: метаболізм, подразливість, розмноження, онтогенез, нервово- гуморальна регуляція процесів життєдіяльності, гомеостаз.

3. Науки, що ведуть дослідження на цьому рівні: анатомія, біологія розвитку, генетика, гігієна морфологія, фізіологія.

Популяційно-видовий рівень організації життя: представлений великим різноманіттям видів та їх популяцій.

1. Елементарні структури: популяції.

2. Основні процеси: взаємодія між особинами та популяціями, видоутворення, виникнення адаптацій до змінних умов середовища.

3. Науки, що ведуть дослідження на цьому рівні: генетика популяцій, еволюція, екологія.

Біосферно-біогеоценотичний рівень організації життя: представлений різноманіттям природних та культурних біогеоценозів та глобальною формою організації біосистем - біосферой.

1. Елементарні структури: біогеоценози, фактори середовища, антропогенний вплив.

2. Основні процеси: коловорот речовин та потік енергії, рухлива рівновага між живими організмами та навколишнім середовищем (гомеостаз), забезпечення живих організмів умовами існування та ресурсами ( їжею, житлом), активна біогеохімічна участь людини у всіх процесах біосфери, його господарська та етнокультурна діяльність.

3. Науки, що ведуть дослідження на цьому рівні: біогеографія, біогеоценологія, екологія.

Основні методи біологічних досліджень

При виконанні біологічних досліджень користуються як загальновідомими, так і специфічними методами:

- метод спостереження;

- метод біологічного експерименту;

- історичний метод;

- описовий метод;

- мікроскопічний метод;

- рентгеноструктурний аналіз;

- ступінчасте центрифугування;

- електронної мікроскопії;

- скануючої електронної мікроскопії;

- електронномікроскопічної гістохімії;

- мікроспектральний аналіз;

- статистичні методи.

Оптичні системи в біологічних дослідженнях використовуються під час проведення практичних занять із медичної біології, генетики та паразитології. Застосовують різні прилади та інструменти, перш за все мікроскоп (від грец. μιχρός - малий і σχοπεω - спостерігаю, розглядаю). При ультрафіолетовій мікроскопії спостереження провадять за допомогою ультрафіолетових променів. Фазово-контрастні мікроскопи дають можливість вивчати мікроскопічні об'єкти без попереднього спеціального забарвлення на основі різниці в коефіцієнтах заломлення світла. Для глибокого вивчення мікроскопічних організмів дедалі ширше застосовують електронні мікроскопи, які збільшують об'єкт у 1000000 і більше разів. Принцип дії цього мікроскопа полягає в тому, що зображення об'єкта формується не світловими променями, а потоком електронів. Внаслідок цього за допомогою електронного мікроскопа можна розглянути ультрамікроскопічні структури клітини, великі молекули, а також віруси.

Для вивчення біологічних об'єктів найчастіше користуються світловими мікроскопами різних систем, в яких об’єкт освітлюється нормальним (нерозчленованим) світловим променем. У кожному світловому мікроскопі розрізняють три основні частини: механічну, освітлювальну та оптичну.

Механічна частина мікроскопа складається зі штатива, тубуса, револьвера, предметного столика, макрометричного гвинта (або кремальєри) і мікрометричного гвинта. Штатив складається з масивної ніжки - основи, на яку спирається весь мікроскоп, і тубусотримача. До тубусотримача прикріплено тубус (зорова труба), який пересувається вгору і вниз за допомогою макрометричного і мікрометричного гвинтів. До штатива прикріплено предметний столик (круглий або прямокутний). У центрі столика є отвір, над яким кладуть предметне скельце з об'єктом, що фіксується двома затискачами, або клемами. Знизу до тубуса рухомо прикріплено револьвер - пластинку з трьома-чотирма об'єктивами. Повертаючи револьвер, можна під нижній отвір тубуса поставити об’єктив, певної кратності збільшення.

Освітлювальна частина мікроскопа складається із дзеркала, конденсора та ірис-діафрагми. Дзеркало закріплене рухомо під предметним столиком. З одного боку воно плоске, а з другого - вигнуте; плоскою і вигнутою поверхнею користуються залежно від джерела світла і характеру об'єкта. Конденсор, що знаходиться між предметним столиком і дзеркалом, складається з кількох лінз. Ірис-діафрагма закріплена на нижній поверхні конденсора. Лінзи конденсора концентрують світлові промені й спрямовують їх через отвір предметного столика на досліджуваний предмет та в об'єктив. Ірис-діафрагма регулює ширину світлового пучка, збільшує або зменшує освітлення предмета.

Оптична частина мікроскопа складається із систем лінз окуляра й об'єктивів. Окуляр вставлений у тубус зверху, на оправі окуляра є цифри, які показують його збільшення (наприклад, х7, х10, х15). Об'єктив являє собою систему лінз, вправлених у трубку - гільзу. Об'єктиви закріплені у револьвері. Вони можуть давати мале збільшення (цифри на оправі х7, х8, х10) і велике (цифри на оправі х40, х90). Щоб знати загальне збільшення мікроскопа, слід перемножити цифри окуляра й об'єктива. Крім об'єктивів малого і великого збільшення, в револьвері мікроскопа є ще так званий імерсійний (лат. immersio, від immergo - занурюю) об'єктив, який позначається буквами «ОІ» (об'єктив імерсійний) і призначений для розглядування предметів і об'єктів при великому збільшенні, коли вводять рідину (кедрову олію, вазелін, водний розчин гліцерину) між предметом і об’єктивом мікроскопа, щоб підвищити освітленість зображення.

Рис. 1. Біологічний робочий мікроскоп МБР-1

1 - окуляр; 2 - колонка; 3 - макрометричний гвинт; 4 - мікрометричний гвинт; 5 - дзеркало; 6 - діафрагма; 7 - конденсор; 8 - мікропрепарат; 9 - предметний столик з отвором; 10 - клема; 11 - гвинт для переміщення предметного столика; 12 - об’єктив; 13 - револьвер; 14 - тубус.