Біологія клітини

Цитологія (грец. κύτος "клітина" і λόγος - "вчення", "наука") - розділ біології, що вивчає живі клітини, їх органели, їх будова, функціонування, процеси клітинного розмноження, старіння та смерті.

Ця книга - різнорівневий підручник, розрахований на всіх, хто цікавиться клітинною біологією та загальними проблемами біології. Насамперед він призначений для школярів старших класів біологічного профілю та студентів біологічних факультетів вузів.

Підручник має дві версії: односторінкову та розбиту на розділи, зміст якої наведено нижче.

Зміст

Вступ

Частина 1. Клітина як вона є

1. Клітина – основа життя
   1. Клітинна теорія - одне з головних наукових узагальнень у біології
   2. Походження життя та походження клітин
   3. Царства живої природи
   4. Клітини прокаріотів мають порівняно просту будову
   5. Будова та функції еукаріотичної клітини
   6. Віруси - неклітинні форми життя
   7. Різноманітність клітин багатоклітинного організму
   1. Атоми
   2. Валентність
   3. Електронегативність
   4. Молекули
   5. Хімічні реакції
   6. Типи хімічного зв'язку
   7. Іони. Кислоти та основи
   8. Водневий показник (рН) середовища показує концентрацію в ній протонів.
   9. Кислотність середовища впливає на багато хімічних та біологічних процесів
   10. Хімічний склад живого: хімічні елементи
   11. Хімічний склад живого: молекули
   12. Основні класи органічних сполук клітин
   13. Ліпіди, їх функції
   14. Вуглеводи, їх функції
   15. Нуклеїнові кислоти, їх функції
   16. Білки, їх функції
   1. Роль ДНК у клітині та історія її відкриття
   2. Будова подвійної спіралі ДНК
   3. Подвоєння ДНК
   4. Генетичний код
   5. Мутації та їх наслідки
   6. Репарація ДНК
   7. Транскрипція та трансляція - основні етапи синтезу білка
   8. Інші типи РНК та їх роль у клітині
   9. Центральна догма молекулярної біології. Передача та реалізація спадкової інформації
   10. Регуляція роботи гена: лактозний оперон
   11. Регуляція роботи генів еукаріотів
   1. Основні способи живлення та отримання енергії
   2. Зв'язок обміну речовин та енергії у клітинах. Катаболізм та анаболізм
   3. АТФ та мембранний потенціал – універсальні джерела енергії.
   4. Гліколіз – універсальний спосіб отримання енергії
   5. Дихання. Будова та функції мітохондрій
   6. Фотосинтез, його роль у клітині та в біосфері
   7. Життєвий цикл та функціональні перебудови пластид
   1. Фосфоліпіди амфіфільні та спонтанно утворюють бислои при взаємодії з водою
   2. Ліпідний бислой - основа біологічних мембран
   3. Основні функції зовнішньої мембрани
   4. Білки – обов'язковий компонент біологічних мембран. Типи мембранних білків
   5. Інші компоненти мембран, їхня роль
   6. Відмежувальна функція. Злиття та поділ клітин
   7. Транспортна функція. Транспорт речовин через мембрану, його типи
   8. Рецепторна функція. Типи білків-рецепторів
   9. Електричні властивості мембрани. Генерація та проведення нервових імпульсів
   10. Утворення міжклітинних контактів, їх типи
   1. Білки «цитоскелета» прокаріотів
   2. Типи клітинної рухливості прокаріотів
   3. Будова та принцип роботи бактеріального джгутика
   4. Основні компоненти цитоскелету еукаріотів
   5. Основні типи клітинної рухливості еукаріотів — амебоїдний рух, війний рух та м'язове скорочення
   6. Мікротрубочки, їх будова та функції
   7. Мікрофіламенти, їх будова та функції
   8. Проміжні філаменти, їх будова та функції
   9. Взаємодія різних систем цитоскелету в клітинах еукаріотів
   1. Роль компартменталізації у клітинах еукаріотів
   2. Єдина мембранна система клітини
   3. Ендоплазматична мережа, її функції
   4. Апарат Гольджі, його функції
   5. Ендосоми та лізосоми, їх функції. Вакуолі клітин рослин та грибів
   6. Пероксисоми, їх функції
   1. Вільні та сидячі рибосоми: потрапляння білків до ЕПС
   2. Транспорт білків з ЕПР в апарат Гольджі
   3. Основна функція апарату Гольджі – сортування білків
   4. Транспорт білків у лізосоми
   5. Транспорт білків у ядро ​​та з ядра
   6. Транспорт білків з апарату Гольджі на зовнішню мембрану
   7. Секреторна функція апарату Гольджі
   8. Ендоцитоз: фагоцитоз та піноцитоз
   9. Екзоцитоз та трансцитоз
   10. Внутрішньоклітинне травлення
   11. Клітини та міжклітинна речовина
   1. Транспорт білків у мітохондрії та хлоропласти
   2. Деградація білків. Будова та робота протеасом
   1. Будова ядра
   2. Докази ролі ядра у спадковості
   3. Хромосоми - структура та функції
   4. Ядерцевий організатор та ядерце
   5. Хромосомні території та їх роль у регуляції роботи генів
   6. Клітинний цикл
   7. Розподіл клітини
   1. Типи міжклітинної сигналізації
   2. Принципи внутрішньоклітинної передачі сигналу
   3. Основні типи білків-рецепторів
   4. Основні системи внутрішньоклітинної передачі сигналу від метаботропних рецепторів: вторинні посередники
   5. Передача сигналу та обмін речовин
   6. Передача сигналу та клітинний цикл
   7. Передача сигналу та орієнтація у просторі
   8. Інші аспекти міжклітинної сигналізації

   Частина 2. Клітини у багатоклітинному організмі

   1. Клітина - основа розмноження та розвитку
   2. Біологія розвитку та її основні проблеми
   3. Розвиток одноклітинних
   4. Розвиток колоніальних організмів. Вольвокс
   5. Розвиток колоніальних організмів. Діктіостеліум
   6. Загальні особливості розвитку тварин. Життєвий цикл тварин
      1. Гаметогенез
      2. Запліднення
      3. Дроблення
      4. Гаструляція
      5. Органогенез
      6. Зростання та регенерація
      7. Старіння та смерть
      1. Диференціювання клітин та морфогенез
      2. Диференціювання клітин та її генетична регуляція
      3. Досягнення у регуляції диференціювання методами молекулярної біології
      4. Генетичне регулювання морфогенезу
      5. Взаємодії клітин та розвиток організму
      1. Життєвий цикл квіткових
      2. Особливості розвитку спорофіту квіткових
      3. Генетичне регулювання розвитку у квіткових
      1. Клітинна інженерія та генетична інженерія
      2. Клітини та рак

      Примітки

      Посилання

      • Molecular Biology Of The Cell, 4-е видання, 2002 р. — підручник з молекулярної біології англійською мовою
      • Молекулярна біологія клітини 2-ге видання (без ілюстрацій)
      • Наочна біохімія Ян Кольман, Клаус-Генріх Рем, Юрген Вірт
      • Елементи: Популярний сайт про фундаментальну науку
      • База знань з біології людини
      • Проект «Cell Biology» у Wikiversity (англійською мовою)

      Клітини. Її функції та будова
      

      Клітина є основною елементарною одиницею всього живого, тому їй притаманні всі властивості живих організмів: високоупорядкована будова, отримання енергії ззовні та її використання для виконання роботи та підтримання упорядкованості, обмін речовин, активна реакція на подразнення, зростання, розвиток, розмноження, подвоєння та передача біологічної інформації нащадкам, регенерація (відновлення пошкоджених структур), адаптація до довкілля.

      Німецький вчений Т. Шван в середині XIX століття створив клітинну теорію, основні положення якої свідчили про те, що всі тканини та органи складаються з клітин; клітини рослин та тварин принципово подібні між собою, всі вони виникають однаково; діяльність організмів - сума життєдіяльності окремих клітин. Великий вплив на подальший розвиток клітинної теорії і взагалі на вчення про клітину зробив великий німецький вчений Р. Вірхов.Він не тільки звів докупи всі численні розрізнені факти, але й переконливо показав, що клітини є постійною структурою і виникають тільки шляхом розмноження.

      Клітинна теорія у сучасній інтерпретації включає у собі такі основні тези: клітина є універсальної елементарної одиницею живого; клітини всіх організмів принципово подібні за своєю будовою, функції та хімічним складом; клітини розмножуються лише шляхом поділу вихідної клітини; Багатоклітинні організми є складними клітинними ансамблями, що утворюють цілісні системи.

      Завдяки сучасним методам дослідження було виявлено два основних типи клітин: більш складно організовані, високодиференційовані еукаріотичні клітини (рослини, тварини та деякі найпростіші, водорості, гриби та лишайники) та менш складно організовані прокаріотичні клітини (синьо-зелені водорості, актиноміцети, бактерії, спірохети, мікоплазми, рикетсії).

      На відміну від прокаріотичної еукаріотичної клітини має ядро, обмежене подвійною ядерною мембраною, і велика кількість мембранних органел.

      Клітина є основною структурною та функціональною одиницею живих організмів, що здійснює зростання, розвиток, обмін речовин та енергії, що зберігає, переробляє та реалізує генетичну інформацію. З точки зору морфології клітина є складною системою біополімерів, відокремлену від зовнішнього середовища плазматичною мембраною (плазмолемою) і що складається з ядра і цитоплазми, в якій розташовуються органели і включення (гранули).

      Які клітини бувають?
      

      Клітини різноманітні за своєю формою, будовою, хімічним складом та характером обміну речовин.

      Усі клітини гомологічні, тобто.мають низку загальних структурних ознак, яких залежить виконання основних функцій. Клітинам властива єдність будови, метаболізму (обміну речовин) та хімічного складу.

      Разом про те різні клітини мають і специфічні структури. Це з виконанням ними спеціальних функцій.

      Будова клітини

      Ультрамікроскопічна будова клітини:

      1 - цитолема (плазматична мембрана); 2 - піноцитозні бульбашки; 3 - центросома клітинний центр (цитоцентр); 4 - гіалоплазма; 5 - ендоплазматична мережа: а - мембрана зернистої мережі; б - рибосоми; 6 - зв'язок перинуклеарного простору з порожнинами ендоплазматичної мережі; 7 - ядро; 8 - ядерні пори; 9 - незерниста (гладка) ендоплазматична мережа; 10 - ядерце; 11 - внутрішній сітчастий апарат (комплекс Гольджі); 12 - секреторні вакуолі; 13 - мітохондрія; 14 - ліпосоми; 15 - три послідовні стадії фагоцитозу; 16 - зв'язок клітинної оболонки (цитолеми) з мембранами ендоплазматичної мережі.

      Хімічний склад клітини

      До складу клітини входить понад 100 хімічних елементів, на частку чотирьох з них припадає близько 98% маси, це органогени: кисень (65–75%), вуглець (15–18%), водень (8–10%) та азот (1) ,5-3,0%). Інші елементи поділяються на три групи: макроелементи - їх вміст в організмі перевищує 0,01%); мікроелементи (0,00001-0,01%) та ультрамікроелементи (менше 0,00001).

      До макроелементів належать сірка, фосфор, хлор, калій, натрій, магній, кальцій.

      До мікроелементів - залізо, цинк, мідь, йод, фтор, алюміній, мідь, марганець, кобальт та ін.

      До ультрамікроелементів - селен, ванадій, кремній, нікель, літій, срібло та до. Незважаючи на дуже малий вміст, мікроелементи та ультрамікроелементи відіграють дуже важливу роль.Вони впливають, головним чином, обмін речовин. Без них неможлива нормальна життєдіяльність кожної клітини та організму як цілого.

      Клітина складається з неорганічних та органічних речовин. Серед неорганічних є найбільша кількість води. Відносна кількість води у клітині становить від 70 до 80%. Вода - універсальний розчинник, у ній відбувається всі біохімічні реакції у клітині. За участю води здійснюється теплорегуляція. Речовини, що розчиняються у воді (солі, основи, кислоти, білки, вуглеводи, спирти та ін), називаються гідрофільними. Гідрофобні речовини (жири та жироподібні) не розчиняються у воді. Інші неорганічні речовини (солі, кислоти, основи, позитивні та негативні іони) становлять від 1,0 до 1,5%.

      Серед органічних речовин переважають білки (10-20%), жири або ліпіди (1-5%), вуглеводи (0,2-2,0%), нуклеїнові кислоти (1-2%). Вміст низькомолекулярних речовин вбирається у 0,5%.

      Молекула білка є полімером, який складається з великої кількості одиниць мономерів, що повторюються. Мономери білка амінокислоти (їх 20) з'єднані між собою пептидними зв'язками, утворюючи поліпептидний ланцюг (первинну структуру білка). Вона закручується в спіраль, утворюючи, своєю чергою, вторинну структуру білка. Завдяки певній просторовій орієнтації поліпептидного ланцюга виникає третинна структура білка, що визначає специфічність та біологічну активність молекули білка. Декілька третинних структур, об'єднуючись між собою, утворюють четвертинну структуру.

      Білки виконують найважливіші функції. Ферменти — біологічні каталізатори, що збільшують швидкість хімічних реакцій у клітині сотні тисяч мільйони разів, є білками.Білки, входячи до складу всіх клітинних структур, виконують пластичну (будівельну) функцію. Рухи клітин також здійснюють білки. Вони забезпечують транспорт речовин у клітину, з клітини та всередині клітини. Важливою є захисна функція білків (антитіла). Білки є одним із джерел енергії. Вуглеводи поділяються на моносахариди та полісахариди. Останні побудовані з моносахаридів, що є, подібно до амінокислот, мономерами. Серед моносахаридів у клітині найбільш важливі глюкоза, фруктоза (містить шість атомів вуглецю) та пентоза (п'ять атомів вуглецю). Пентози входять до складу нуклеїнових кислот. Моносахариди добре розчиняються у воді. Полісахариди погано розчиняються у воді (у тваринних клітинах глікоген, у рослинних — крохмаль і целюлоза. Вуглеводи є джерелом енергії, складні вуглеводи, з'єднані з білками (глікопротеїди), жирами (гліколіпіди), беруть участь в утворенні клітинних поверхонь та взаємодіях клітин.

      До ліпідів відносяться жири та жироподібні речовини. Молекули жирів побудовані з гліцерину та жирних кислот. До жироподібних речовин належать холестерин, деякі гормони, лецитин. Ліпіди, що є основним компонентом клітинних мембран, виконують цим будівельну функцію. Ліпіди – найважливіші джерела енергії. Так, якщо при повному окисненні 1 г білка чи вуглеводів звільняється 17,6 кДж енергії, то при повному окисненні 1 г жиру – 38,9 кДж. Ліпіди здійснюють терморегуляцію, захищають органи (жирові капсули).

      ДНК та РНК
      

      Нуклеїнові кислоти є полімерними молекулами, утвореними нуклеотидами мономерами. Нуклеотид складається з пуринової або піримідинової основи, цукру (пентози) та залишку фосфорної кислоти.У всіх клітинах існує два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонулеїнова (ДНК) та рибонуклеїнова (РНК), які відрізняються за складом основ та цукрів.

      Просторова структура нуклеїнових кислот:

      (за Б. Албертсом і співавт., З ізм.). I - РНК; II - ДНК; стрічки - сахарофосфатні кістяки; A, C, G, T, U – азотисті основи, грати між ними – водневі зв'язки.

      Молекула ДНК

      Молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, закручених одна довкола іншої у вигляді подвійної спіралі. Азотисті основи обох ланцюгів з'єднані між собою комплементарно водневими зв'язками. Аденін з'єднується тільки з тиміном, а цитозин – з гуаніном (А – Т, Г – Ц). У ДНК записана генетична інформація, яка визначає специфічність білків, що синтезуються клітиною, тобто послідовність амінокислот в поліпептидному ланцюгу. ДНК передає у спадок всі властивості клітини. ДНК міститься в ядрі та мітохондріях.

      Молекула РНК

      Молекула РНК утворена одним полінуклеотидним ланцюгом. У клітинах існує три типи РНК. Інформаційна, або месенджер РНК тРНК (від англ. Messenger - "посередник"), яка переносить інформацію про нуклеотидну послідовність ДНК в рибосоми (див. нижче). Транспортна РНК (тРНК), яка переносить амінокислоти рибосоми. Рибосомальна РНК (рРНК), яка бере участь у освіті рибосом. РНК міститься в ядрі, рибосомах, цитоплазмі, мітохондріях, хлоропластах.

      Склад нуклеїнових кислот:

      Біологія клітини/Введення

      Клітини – маленькі мішечки, оточені дуже тонкою жировою плівочкою та містять водний розчин кількох тисяч різних молекул.Більшість організмів на Землі (за чисельністю – напевно, за біомасою – ймовірно, а можливо, і за кількістю видів) – одноклітинні: їхні тіла складаються з одного такого мішечка. Але й тіла великих організмів – білого гриба, сосни чи людини – складаються з безлічі подібних мішечків. В організмі людини їх понад 10 13 - 10 000 000 000 000 штук! Хоч як це дивно, кожен із цих мішечків — живий. Він має всі основні властивості живого, у тому числі головний з них — здатний розмножуватися зі збереженням спадкових властивостей.

      Завдання Перш ніж читати далі, перерахуйте основні властивості живого. Після виконання завдання див. Основні наукові проблеми біології та їх зв'язок з вивченням клітин

      Завдяки яким своїм властивостям клітина жива? Пошуки відповіді це питання, з'ясування деталей будівлі та роботи клітин — одне з основних напрямів роботи сучасних біологів.

      Рівні організації живого та система біологічних наук

      Зазвичай виділяють чотири основні рівні організації живого

      Клітини, живі організми і в цілому життя на Землі є складними системами. Для цих систем характерна ієрархічність - одні системи входять до складу інших (систем вищого рівня) як їх підсистеми. У складніших систем вищого рівня з'являються нові властивості, які на попередньому рівні відсутні. Крім того, системи різного рівня мають дуже різні розміри: від кількох нанометрів (великі молекули та дрібні органоїди) до кількох тисяч кілометрів (великі екосистеми та вся біосфера). Зазвичай виділяють чотири основні рівні організації -
   7. молекулярно-клітинний,
   8. організменний,
   9. популяційно-видовий,
   10. екосистемний.

   Перевага цього підходу полягає в тому, що будь-яка жива система «включена» у всі ці рівні організації. Недоліки — насамперед у тому, що до кожного з цих рівнів належать системи різного рівня складності. Навіть клітинний рівень включає клітини прокаріотів і еукаріотів — а це якраз системи принципово різного рівня складності. А організмовий рівень включає і бактерій, і людину — системи, що ще сильніше відрізняються за рівнем складності. Крім того, до рівня виду всі об'єкти цієї класифікації пов'язані генетично і є системою з єдиним генофондом. Екосистема, навіть незважаючи на наявність горизонтального перенесення генів, такою системою не є. Ці недоліки спонукають багатьох авторів шукати інші критерії виділення рівнів організації, наприклад, використовувати тривалість їх існування (виділяючи онтогенетичний та філогенетичний рівні).

   Питання 2 Які з основних рівнів відносяться до онтогентичного, а які до філогенетичного?

   Часто (особливо у шкільних підручниках та програмах) пропонується виділяти більш дробові рівні:

   • Молекулярний
   • Субклітинний
   • Клітинний
   • Тканинний
   • Органний
   • Організмовий
   • Популяційно-видовий
   • Біоценотичний (екосистемний)
   • Біосферний

   Недоліки такого варіанта ще очевидніші.

   Питання 3 Які недоліки ви бачите у дробовій ієрархії рівнів? Завдання Спробуйте запропонувати свої критерії виділення рівнів організації та створити свою класифікацію цих рівнів.

   Втім, іноді на запитанняЯкі рівні організації живого?від учня можуть вимагати і відповіді на кшталтЯдерний та доядерний".Під таку класифікацію також можуть потрапляти системи різної складності, але на вищезгаданому клітинно-молекулярному рівні всі вони володітимуть набагато схожими властивостями.

   Особливості клітинного рівня

   Головна особливість клітинного рівня полягає в тому, що тільки ціла клітина має все основні ознаки живого, причому не тільки тому, що клітина має всі ці ознаки, але і тому, що існують популяції і види одноклітинних організмів. Більше того, нещодавно була відкрита і екосистема, що складається з єдиного виду бактерій [1] [2] [3]. З моменту появи перших клітин життя, безсумнівно, вже існувало у вигляді екосистем, тобто почала набувати сучасних геохімічних функцій.

   Система біологічних наук. Розділи біології, що вивчають клітину

   Складність живих систем відображена у складності біології як науки та різноманітті її розділів. По-перше, існують приватні науки, які вивчають окремі групи живих організмів – зоологія, мікологія, ботаніка, протистологія, бактеріологія, вірусологія. Нашим своїм видом займається антропологія.

   Кожна їх ділиться на ряд ще більш приватних розділів. Наприклад, у зоології виділяють ентомологію, орнітологію, іхтіологію та ін., у ботаніці - бріологію, альгологію (остання наука, щоправда, може бути віднесена і до протистології).

   Інші біологічні науки переважно пов'язані з певними рівнями організації живого. p align="justify"> Молекулярний рівень вивчають біохімія, молекулярна біологія, молекулярна генетика. За своїми методами (а почасти і об'єктом вивчення) близька до цих наук вірусологія.

   Тісно пов'язані з ними та науки, що вивчають клітинний рівень - цитологія (клітинна біологія), гістологія, імунологія та ін.

   Організмовий рівень вивчають такі науки, як анатомія, фізіологія та ембріологія (біологія розвитку). З цим рівнем тісно пов'язані й багато розділів генетики (наприклад, генетика розвитку).

   Популяційно-видовий рівень вивчають популяційна генетика та популяційна екологія. З іншого боку, цим рівнем займається еволюційна біологія, оскільки у цьому рівні організації відбуваються процеси мікроеволюції. Той самий рівень — об'єкт вивчення систематики.

   Екосистемний рівень - основний об'єкт вивчення більшості розділів екології. До цього рівня зміщуються останніми роками й інтереси палеонтологів: дедалі більшої уваги вони приділяють не окремим видам, а екосистемам колишніх геологічних епох. Зрештою, однією з основних проблем сучасної еволюційної біології є розробка теорії еволюції екосистем.

   Є й науки, об'єкт вивчення яких не рівень організації чи група організмів, а якийсь аспект властивостей живого. До таких наук можна віднести, наприклад, біоінформатику та біофізику.

   На погляд, біологічні науки дуже різко різняться і сильно ізольовані друг від друга. Наприклад, біохімія за своїми методами (а багато в чому і предметом вивчення) — це майже хімія, а геоботаніка — майже географія. Де і як можуть зустрітися і що обговорюватимуть під час зустрічі орнітолог та вірусолог? Так справді й було донедавна. В даний час взаємопроникнення біологічних наук посилюється, все частіше застосовується міждисциплінарний підхід у біологічних дослідженнях. Все частіше можна зустріти словосполучення «екологічна генетика» [1] або «хімічна екологія» [4]. Метагеноміка [5] забезпечила справжній прорив у вивченні складу екосистем.

   Питання 4 А справді, де і як можуть зустрітися і що (з найбільшою ймовірністю) обговорюватимуть під час зустрічі орнітолог та вірусолог? Спробуйте відповісти на це питання (припустимо, що обговорюватимуть вони біологічні проблеми, що становлять взаємний інтерес, а не результати чемпіонату світу з футболу).

   Редукціоністський підхід відіграв вирішальну роль у прогресі біології у XX столітті

   Останні десятиліття найбільших успіхів досягла молекулярна біологія. Багато в чому ці успіхи пов'язані з використанням принципу редукціонізму У застосуванні до вивчення клітини цей принцип у тому, що можливе пояснення складних процесів у клітині та організмі як результату простих хімічних реакцій.

   Закони фізики та хімії (часто мають вигляд заборон) виконуються в живій природі, оскільки живі організми складаються з тих самих атомів і полів, що й нежива природа. В основі життєдіяльності клітин лежать хімічні реакції, а в основі життєдіяльності та розвитку організму – робота клітин. Значить зрозуміти роботу організму можна, вивчаючи хімію. Можна вивчити атоми, потім молекули, хімічні реакції, у яких беруть участь ці молекули, і ми зрозуміємо, наприклад, травлення. Так у багатьох випадках і сталося. Виявилося, що дуже багато біологічних процесів можна описати «мовою» хімії.

   Редукціоністський підхід має межі застосування в біології.

   А чи можна зрозуміти, як людина думає, якщо вивчити всі хімічні процеси в окремих нейронах — нервових клітинах її мозку? Чи допоможе вивчення хімічних реакцій зрозуміти, чому жираф для добування листя з дерев має довгу шию, а слоно — хобот? Або пояснити, чому чисельність комах у різні роки відрізняється сильно, а птахів – слабко?

   Навряд чи це можливо — навіть найточніший хімічний аналіз окремих деталей комп'ютера не допоможе зрозуміти принцип його роботи. Справа в тому, що Будь-яка система, що складається з декількох елементів, може набувати нових властивостей. Властивості системи залежать як від властивостей елементів, а й від взаємозв'язків з-поміж них. Вивчаючи окремі елементи, ми зрозуміємо принципів роботи системи. Тому такий важливий для багатьох розділів біології системний підхід. Наприклад, щоб зрозуміти роботу мозку людини, важливо вивчати не лише окремі молекули чи клітини, а й складні взаємодії між клітинами мозку, взаємозв'язки мозку з органами чуття та іншими системами органів.

   [2] А. А. Любищев. Редукціонізм та розвиток морфології та систематики. (Позиція авторів цитованих робіт може не збігатися з точкою зору авторів підручника).

   Багато найважливіших наукових проблем біології пов'язані з вивченням клітин

   До свого 125-річчя журнал Science опублікував список 125 найважливіших наукових проблем сучасності, з яких виділив 25 головних. З цих 25 проблем 16 (!) перелічених нижче мають безпосереднє відношення до біології, та якщо з цих 16-ти більшість пов'язані з вивченням клітинного рівня.

   Найважливіші наукові проблеми біології за версією журналу Science

   • 2. Які біологічні засади свідомості?
   • 3. Чому в людини так мало генів? Як вся спадкова інформація міститься в 20-25 тис. генів, що є в нашій ДНК?
   • 4. Наскільки індивідуальні генетичні особливості людини важливі щодо її лікування?
   • 6. На скільки можна збільшити тривалість життя?
   • 7. Як контролюється регенерація органів?
   • 8. Як клітина шкіри може перетворитися на нервову клітину?
   • 9.Як єдина соматична клітина перетворюється на цілу рослину?
   • 12. Коли і де зародилося земне життя?
   • 13. Які чинники середовища визначають видове розмаїття екосистем?
   • 14. Які генетичні особливості роблять людину людиною?
   • 15. Як зберігається в мозку і як витягується інформація, що зберігається?
   • 16. Як виникла поведінка, орієнтована на співпрацю, і навіщо в тваринному світі потрібний альтруїзм?
   • 17. Як обробляти і узагальнювати великі масиви даних у біології, і чи буде створено цьому шляху «системна біологія»?
   • 20. Чи можна вибірково блокувати реакції імунної системи?
   • 22. Чи можна створити вакцину від СНІДу?
   • 25. Чи можна при зростанні народонаселення досягти загального добробуту, не спустошивши планету?

   У голові редакторів, які складали цей список, панувала пристойна каша. Спробуйте в ній розібратися, а саме

   1. назвіть проблеми, які, на вашу думку, вже повністю або значною мірою вирішені;
   2. назвіть проблеми, які не є науковими (тобто не вимагають нових наукових відкриттів, теорій та узагальнень), а є чисто прикладними.

   [3] Найважливіші наукові проблеми за версією журналу Science

   Насправді до основних наукових проблем біології має сенс включати лише проблеми фундаментальних, але з прикладних досліджень. Вочевидь, фундаментальні наукові проблеми тісно пов'язані з основними властивостями живого. Нижче ми сформулюємо їх, враховуючи й ті, які вже вирішені.

   Найважливіші наукові проблеми біології за версією підручника «Біологія клітини»

   1. Як відбувається передача спадкових якостей при розмноженні? Загалом цю проблему вирішено.Перший крок до її вирішення зробив Грегор Йоган Мендель, який відкрив в 1865 основні закони успадкування. Наступний крок було зроблено, коли у 1870-ті-1890-ті роки були описані мітоз, мейоз та запліднення. Ще на крок вчені наблизилися до розгадки таємниці спадковості, коли в 1910-ті роки Томасом Гент Морганом та його співробітниками було створено хромосомну теорію спадковості. У 1920-ті роки Микола Костянтинович Кольцов передбачив молекулярний механізм запису спадкової інформації та розробив теорію матричного синтезу спадкових молекул. У 1940-ті-1950-ті роки було доведено, що молекули спадковості дійсно існують і що це молекули ДНК. Нарешті, вирішальний крок було зроблено в 1953 році, коли Джеймс Вотсон і Френсіс Крік створили модель подвійної спіралі ДНК і передбачили механізм її подвоєння.
   2. Як лінійний запис спадкової інформації у вигляді генетичного коду молекул ДНК перетворюється на складну тривимірну організацію клітин та багатоклітинних організмів? (Проблема реалізації спадкової інформації). Загалом цю проблему не вирішено і залишається однією з головних проблем, які намагається вирішити біологія.
   3. Як відбувається обмін речовин та енергії у клітинах? Загалом цю проблему вирішено протягом ХХ століття.
   4. Як і під впливом яких причин виникають зміни спадкової інформації та загалом відмінності між організмами одного виду? (проблема природи мінливості) Загалом цю проблему вирішено.
   5. Як у ряді поколінь відбуваються пристосувальні зміни та виникають нові види живих організмів? (проблема механізмів еволюції) У цілому нині цю проблему вирішена Чарльзом Дарвіном, який пояснення механізмів еволюції запропонував теорію природного добору.Однак деталі процесів видоутворення та появи нових ознак зрозумілі далеко не повністю, і постійно відбуваються відкриття нових важливих деталей механізмів еволюції.
   6. Як клітини та інші біосистеми сприймають сигнали та залежно від умов змінюють свою роботу? (проблема регуляції) Хоча цю проблему вирішено загалом, до повного її вирішення дуже далеко. Зазначимо, що до цієї галузі досліджень належать багато проблем, перелічених у списку журналу Science.

   Примітки