Животът и как го изучаваме — урок по биология

1. Какво е живот?

Биологията е науката за живота. Странното е, че е трудно да се каже точно какво е живот. Огънят „диша“ кислород и расте, кристалите растат, роботите реагират на средата – а не са живи. Затова биолозите не дават едно определение, а изброяват признаците, които заедно имат всички живи организми.

О

Признаци на живите организми

Живият организъм има клетъчен строеж, обмяна на вещества и енергия, хомеостаза (поддържа постоянна вътрешна среда), раздразнимост (реагира на дразнители), растеж и развитие, размножаване, наследственост и способност да се изменя с поколенията (еволюция). Нито един признак сам по себе си не стига – живо е това, което ги има всички.

Признак	Какво означава
Клетъчен строеж	всички организми са изградени от една или много клетки
Обмяна на вещества и енергия	приемат вещества и енергия, преработват ги и отделят отпадъци
Хомеостаза	поддържат вътрешната си среда постоянна – температура, количество вода, захар в кръвта
Раздразнимост	реагират на промени в средата – светлина, допир, температура, химични вещества
Растеж и развитие	увеличават размерите си и се променят през живота си по определен план
Размножаване	дават потомство – полово или безполово
Наследственост и еволюция	предават признаците си на потомците (чрез ДНК); видовете се изменят с поколенията

Внимавай с движението: растенията и не ходят, но са живи. Пак те движат части от себе си – младият слънчоглед следи Слънцето, а листата на срамежливата мимоза се свиват при допир. Движението от място на място не е общ признак на живите организми.

🐈

котка

1 от 10. Живо ли е?

? клетъчен строеж? обмяна на вещества и енергия? хомеостаза? раздразнимост? растеж и развитие? размножаване? наследственост и еволюция

💡 След отговора виждаш кои признаци има нещото: ✓ – има го, ~ – само прилича на него или го има отчасти, ✗ – няма го.

Пример

Мулето е потомък на кон и магаре и почти винаги е безплодно. Живо ли е, щом не може да се размножава?

Мулето има клетки, храни се, диша, поддържа температурата си, реагира на средата и расте – има всички признаци освен размножаването.
Размножаването е признак по-скоро на вида и на популацията, отколкото на всеки отделен организъм: работните пчели обикновено нямат потомство, много хора – също, но са живи.
Мулето е живо. Признаците описват живите организми като цяло – не са списък, по който всяко животно трябва да „мине изпит“.

2. Нива на организация на живото

Животът е подреден като матрьошка: молекулите изграждат клетки, клетките – тъкани, тъканите – органи и така нататък до цялата . Всяко ниво има свойства, които липсват на по-долното: една нервна клетка не може да мисли, а мозъкът – може.

О

Нива на организация

Молекулно → клетъчно → тъканно → органно → система органи → организмово → популационно-видово → съобщество (биоценоза) → екосистема → биосфера. Тъканта е група сходни клетки с обща функция, органът е изграден от няколко тъкани, а популацията са организмите от един вид, които живеят на едно място и се кръстосват помежду си.

Ниво	Пример
молекулно	ДНК, белтъци, глюкоза
клетъчно	нервна клетка, бактерия
тъканно	мускулна тъкан, покривна тъкан на листото
органно	сърце, лист, корен
система органи	кръвоносна система, храносмилателна система
организмово	един човек, един бук
популационно-видово	всички сърни в Странджа
съобщество (биоценоза)	всички растения, животни, гъби и микроби в една гора
екосистемно	гората заедно с почвата, водата и климата
биосферно	целият живот на Земята и средата, в която живее

Различните дялове на биологията изучават различни нива: молекулярната биология и биохимията – молекулите (за тях има урок по химия Химия на живота), цитологията – клетките, анатомията и физиологията – органите и тяхната работа, – , и . Ботаниката, зоологията и микробиологията изучават съответно растенията, животните и микроорганизмите. Въпросът дали има живот и извън Земята е разгледан в урока Астробиология.

Пример

На кое ниво е всяко от изброените: листо на бук; букова гора с почвата и климата; хлорофил; всички букове в Родопите; покривната тъкан на листото?

Листото е орган – изградено е от няколко тъкани (покривна, проводяща, фотосинтезираща).
Гората заедно с неживата среда е екосистема.
Хлорофилът е молекула – молекулно ниво.
Всички букове в Родопите са популация – ниво популация и вид.
Покривната тъкан е тъканно ниво – група сходни клетки с обща функция.

3. Научният метод

Доскоро хората вярвали, че мишките се раждат от мръсни парцали, а червеите – от гниещото месо. Тази идея се нарича самозараждане. Как да проверим такова твърдение? Не като спорим, а като направим опит.

О

Научен метод

Наблюдение → въпрос → хипотеза (предположение, което може да се провери и да се окаже грешно) → предсказание → опит → анализ на резултатите → извод. Ако резултатите противоречат на предсказанието, хипотезата се отхвърля или променя. Изводът се приема, когато и други учени повторят опита и получат същото.

О

Променливи и контрола

Независимата променлива е тази, която изследователят променя нарочно (напр. количеството тор). Зависимата е тази, която той измерва (височината на растенията). Контролираните променливи се поддържат еднакви (светлина, вода, вид почва, сорт). Контролната група е същата като опитната, но без въздействието – с нея се сравнява резултатът. В добрия опит се променя само една независима променлива, а всяка група има няколко повторения.

Пример

През 1668 г. италианецът Франческо Реди слага месо в няколко буркана. Едни оставя отворени, а други покрива с тънък плат (марля). Какви са променливите и какъв е изводът?

Хипотеза: червеите в месото се излюпват от яйца на мухи, а не се зараждат сами.
Независимата променлива е дали мухите имат достъп до месото (отворено или покрито). Зависимата – дали в месото се появяват червеи (ларви).
Контролирани: един и същи вид месо, едно и също място и температура. Платът пропуска въздух – така отговаря на възражението, че „месото има нужда от въздух“.
Резултат: червеи има само в отворените буркани; мухите снасят яйца и върху плата. Изводът: червеите идват от мушите яйца.

Реди показва, че мухите не се самозараждат. Но след откритието на Льовенхук остава въпросът за микробите: та нали те се появяват дори в сварен и затворен бульон? Окончателен отговор дава Луи Пастьор около 1860 г. с колби с дълга извита шийка – „гъша шия“. Изпробвай сам защо опитът му е толкова убедителен.

Дни: 00

мътност0%микроби отняма

Премести плъзгача на дните и гледай бульона.

💡 Смени вида на колбата или бульона – опитът започва отначало. Добрият опит изключва всички обяснения освен едно: само колбата с „гъша шия“ пуска въздуха, но спира праха.

Пример

Ученик иска да провери дали светлината е нужна, за да покълнат семена от боб. Как да планира опита?

Хипотеза: семената от боб покълват и на тъмно (или: светлината не влияе на покълването).
Независима променлива: светлина или тъмнина. Зависима: процент покълнали семена след например 7 дни.
Контролирани: един и същи сорт и брой семена (поне по 20–30 във всяка група), еднаква температура, едно и също количество вода и памук.
Две групи: на светло и в затворена кутия. Само една разлика между тях – иначе няма да знаем коя от разликите е причината.
Опитът показва, че бобът покълва и на тъмно – поникналите кълнове обаче са бледи и издължени, защото без светлина не образуват хлорофил.

4. Микроскопът

Повечето клетки са по-малки от 0,1 mm – най-малкото, което окото различава. Затова цитологията започва с микроскопа. През 1665 г. Робърт Хук разглежда под микроскоп тънък срез от корк и вижда малки празни „стаички“, които нарича cellulae – клетки. Всъщност е видял само стените на мъртви растителни клетки.

Училищният светлинен микроскоп има две групи лещи. Обективът (на въртящия се револвер, обикновено 4×, 10×, 40×, 100×) дава увеличен образ, а окулярът (обикновено 10×), през който гледаме, го увеличава още. Препаратът се поставя на предметната масичка и се осветява отдолу; с диафрагмата се регулира светлината, а с макро- и микровинта се фокусира. Как лещите образуват образа, е обяснено в урока по физика Лещи и оптични уреди.

Т

Увеличение на микроскопа

Общото увеличение е произведението от увеличенията на окуляра и обектива:

M = M_{\text{ок}} \cdot M_{\text{об}}

. Истинският размер на обект е размерът на образа (на снимката или рисунката), разделен на увеличението:

\text{размер} = \frac{\text{образ}}{M}

.

О

Мерни единици

1\ \mathrm{mm} = 1000\ \mathrm{\mu m}

(микрометра),

1\ \mathrm{\mu m} = 1000\ \mathrm{nm}

(нанометра). Клетките обикновено се мерят в микрометри, вирусите и молекулите – в нанометри.

Пример

На снимка под микроскоп мащабната линийка 10 µm е дълга 15 mm. Червено кръвно телце на снимката е 11 mm. Колко е увеличението и колко е голямо телцето?

$15\ \mathrm{mm} = 15\,000\ \mathrm{\mu m}$ , значи $M = \frac{15\,000}{10} = 1500$ пъти.
Телцето: $\frac{11\,000\ \mathrm{\mu m}}{1500} \approx 7{,}3\ \mathrm{\mu m}$ .
Мащабната линийка е по-надеждна от надпис „×1500“: ако снимката се отпечата по-голяма или по-малка, линийката се променя заедно с нея.

Колкото по-силен е обективът, толкова по-малка част от препарата виждаме. Зрителното поле (кръгът, който се вижда в окуляра) има диаметър около $\frac{\text{полево число}}{M_{\text{об}}}$ ; полевото число е написано на окуляра, често 18 mm. Ако знаем колко е полето и преброим колко клетки се нареждат по диаметъра му, можем да оценим размера на клетката.

Фокус ✓50

увеличение40×поле4,5 mmd2,75 µm

Размерът на клетката ≈ поле : брой клетки = 4,5 mm : 18 ≈ 250 µm.

💡 Окулярът е 10× с полево число 18 mm: зрителното поле е 18 mm : (увеличение на обектива). Започвай винаги със слабия обектив и фокусирай – при 40× и 100× фокусът е много по-чувствителен. Обективът 100× се ползва с имерсионно масло. Размерите на клетките са типични, в природата варират.

Т

Разделителна способност

Разделителната способност

d

е най-малкото разстояние между две точки, които още се виждат отделно. Заради вълновата природа на светлината

d \approx \frac{\lambda}{2\,\mathrm{NA}}

, където

\lambda

е дължината на вълната, а NA е числовата апертура на обектива (написана на него, до 1,4 при маслена имерсия). Най-добрият светлинен микроскоп различава около

0{,}2\ \mathrm{\mu m}

. Увеличение над около 1000–1500 пъти не показва нови подробности – само ги размазва повече.

За да видим по-малки неща – , , мембрани – трябва вълни с по-малка дължина. Електронният микроскоп (първият е построен от Ернст Руска и Макс Кнол през 1931 г.) използва сноп електрони и различава подробности под 1 nm. Цената е, че препаратът трябва да е във вакуум, затова живи клетки в него не се наблюдават. Как електроните се държат като вълни, има в урока по физика Фотони и фотоефект.

Обект	Размер	С какво се вижда
син кит	≈ 25–30 m	окото
човек	≈ 1,7 m	окото
човешка яйцеклетка	≈ 0,1 mm	окото (едва-едва)
чехълче (парамеций)	≈ 0,2 mm	лупа, светлинен микроскоп
клетка от бузата	≈ 60 µm	светлинен микроскоп
червено кръвно телце	≈ 7,5 µm	светлинен микроскоп
бактерия E. coli	≈ 2 µm	светлинен микроскоп (силен обектив)
вирус на грипа	≈ 100 nm	електронен микроскоп
рибозома	≈ 25 nm	електронен микроскоп
ДНК (дебелина)	≈ 2 nm	електронен микроскоп

5. Тренажор

, истински размер, зрително поле и мерни единици. Десетичните отговори въвеждай като 7,5.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

\text{линийка } 20\ \mathrm{\mu m} \text{ е дълга } 40\ \mathrm{mm}

Колко пъти е увеличена снимката?

6. Микросветът около нас

Увеличението и мерните единици ти трябват всеки път, когато гледаш снимка от микроскоп.

0 / 6

🔍 Лещата на Льовенхук

Най-добрите запазени лещи на Льовенхук увеличават около 270 пъти. Колко голяма му е изглеждала бактерия с дължина 2 µm? Отговорът дай в милиметри.

📱 Микроскоп на телефона

С лещичка, закачена на камерата на телефона, ученик снима косъм с дебелина 70 µm. На екрана косъмът е широк 2,1 mm. Колко пъти увеличава лещата заедно с екрана?

📘 Снимката в учебника

Под снимка на клетка от бузата пише „×500“. На снимката клетката е широка 3 cm. Колко е широка в действителност?

🌿 Клетките на едно листо

Листо има площ 20 cm². Клетките на горната му покривна тъкан са приблизително квадратчета 50 µm × 50 µm. Около колко клетки покриват горната страна на листото?

📏 Бактерии на редица

Колко бактерии с дължина 2 µm трябва да се наредят една след друга, за да стане редица, дълга 1 mm?

⏱️ Бързо делене

При добри условия чревната бактерия E. coli се дели на две около веднъж на 20 минути. Колко бактерии ще има след 8 часа, ако в началото има една и всички оцеляват?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

7. ⚠️ Чести грешки

Движение = живот

✗ Растенията не се движат, значи не са толкова „живи“, колкото животните.

✓ Движението от място на място не е общ признак на живото; растенията имат всички признаци.

Увеличенията се събират

✗ Окуляр 10× и обектив 40× дават 50×.

✓ Увеличенията се умножават: $\displaystyle 10 \cdot 40 = 400\times$ .

Полето при силен обектив

✗ При 40× виждаме по-голяма част от препарата, отколкото при 10×.

✓ Полето намалява 4 пъти – виждаме по-малка част, но по-едро.

Мерни единици

✗ $\displaystyle 1\ \mathrm{\mu m} = 0{,}1\ \mathrm{mm}$

✓ $\displaystyle 1\ \mathrm{\mu m} = 0{,}001\ \mathrm{mm}$ – хиляда пъти по-малко

Опит без контрола

✗ Поливах растението с тор и то порасна с 10 cm – торът помага.

✓ Нужна е група без тор: и тя може да порасне с 10 cm.

Две промени наведнъж

✗ Едната колба е на светло и топло, другата – на тъмно и студено.

✓ Променяме само една независима променлива, иначе не знаем коя е причината.

8. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Кое от изброените НЕ е признак на всички живи организми?

Избери отговор (или натисни 1–4)

9. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

10. Обобщение

✓ Живите организми имат клетъчен строеж, обмяна на вещества и енергия, хомеостаза, раздразнимост, растеж и развитие, размножаване, наследственост и еволюция – всички заедно
✓ Вирусите са граничен случай: имат и еволюират, но нямат клетки и собствена обмяна
✓ Нива на организация: молекула → клетка → тъкан → орган → система органи → организъм → популация → съобщество → екосистема → биосфера
✓ Научен метод: хипотеза, която може да се опровергае, опит с една независима променлива, контролна група и повторения
✓ Реди и Пастьор опровергават самозараждането: живото идва само от живо
✓ $M = M_{\text{ок}} \cdot M_{\text{об}}$ ; размер = образ / $M$ ; зрителното поле намалява колкото пъти расте увеличението на обектива
✓ $1\ \mathrm{mm} = 1000\ \mathrm{\mu m}$ , $1\ \mathrm{\mu m} = 1000\ \mathrm{nm}$ ; светлинният микроскоп различава до около 0,2 µm, електронният – под 1 nm

💡 Интересен факт

Дълго се твърдеше, че в тялото ни има 10 пъти повече , отколкото човешки клетки. Според по-нова оценка (от 2016 г.) бактериите са горе-долу колкото нашите клетки – по около 30–40 трилиона. Понеже са много по-малки, всичките заедно тежат едва около 0,2 kg. Някои от колбите на Пастьор пък се пазят в музея на института „Пастьор“ в Париж и според описанията бульонът в тях е бистър и днес – повече от 150 години по-късно.