От структуры к свойствам Образ и мысль
жүктеу/скачать 281 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Монера
- § 49. Как реализуется генетическая информация
- Передача генетической информации идет по цепочке ДНК
- § 50. Зависимость свойств от структуры и состава – опыт искусства
История классификации живых существ. Привычнее всего подразделять живые существа на растения и животные. Восходят эти представления к Аристотелю, который предложил в качестве критериев для отнесения живых организмов к той или другой группе подвижность и чувствительность. Растения неподвижны и нечувствительны, животные – наоборот. Линней, отец современной систематики, в полном согласии с классификацией Аристотеля выделил два царства: Vegetabilia (растения) и Animalia (животные). Впоследствии к двум критериям различения растительных и животных организмов Жан Батист Ламарк добавил еще и способ питания – автотрофный для растений и гетеротрофный для животных. Такая двуцарственная система живого просуществовала практически до наших дней, хотя время от времени и подвергалась сомнению.Осложнения стали накапливаться при изучении того мира живых существ, который «нам микроскоп открыл». Эти существа оказались подвижными, поэтому, следуя критериям Аристотеля – Линнея, их следовало отнести к животным. Недаром изобретатель микроскопа Антон Антони ван Левенгук назвал их анималькулами (зверушками). Однако среди этих зверушек обнаружились как формы, снабженные хлоропластами, т. е. растительные по своей природе, так и питающиеся гетеротрофно, которых, следовательно, надо считать животными, и, наконец, отличные от тех и других микроорганизмы (бактерии). В результате одни и те же виды живых организмов ботаники и зоологи классифицировали по-разному. Например, согласно ботанической номенклатуре эвгленовые выделялись в самостоятельный тип, а зоологи рассматривали их лишь как отряд в классе жгутиконосцев. Таких «двуцарственных» видов, которые классифицировались одновременно как растения, и как животные насчитывалось около 30 тыс. Подобная неоднозначность в классификации живых существ на самом высоком таксономическом уровне (царства) свидетельствует о том, что критерии, принятые для выделения царств, либо неверны, либо требуют уточнения. Это стало еще более очевидным с развитием электронной микроскопии и с широким внедрением в систематику методов молекулярной биологии. Исследования эти дали парадоксальные для классических представлений результаты. Например, эвгленовые водоросли оказались близкородственны группе паразитических жгутиконосцев-кинетопластид (к ним, в том числе, относятся трипанозомы – возбудители сонной болезни и др.). Сколько царств живых организмов следует выделить? Один из подходов к систематике организмов состоит в вычленении масштабных этапов их эволюции, каждый из которых отражает определенный уровень структурной организации живого, контрастно отличающийся от остальных. Речь идет о выделении подуровней в рамках организменного онтогенетического уровня организации живых систем (см. § 31). Одно из таких подразделений мы уже знаем – это прокариоты и эукариоты, принципиальные различия в строении и функционировании клеток которых уже обсуждались (см. § 00).Переход от одноклеточного состояния к многоклеточному был одним из важнейших шагов в эволюции живых существ эукариот, и совершался он независимо в разных группах. Первый его этап заключается в формировании многоклеточного организма в результате нерасхождения клеток, образовавшихся в ходе деления. При этом отдельные клетки, происходящие от одной материнской, удерживаются друг с другом механически при помощи слизи и т. п. От таких нестабильных клеточных объединений ведут два пути. Один – это формирование разнообразных многоклеточных слоевищ, а второй – совершенствование колониальной организации. Первый путь избрали многие низшие растительные организмы. Это привело к появлению того многообразия талломов, которое характерно для багрянок, золотистых, желто-зеленых, зеленых, бурых и ряда других водорослей. При этом бурые водоросли уже вплотную подошли к тканевой организации. У некоторых их представителей (рис. 87) таллом отчетливо Рис. 87. Бурая водоросль ламинария подразделяется на пластинку, ножку и ризоиды, имеются значительные различия между клетками, поверхностных слоев и сердцевины. Колониальные формы распространены не столь широко. Самые специализированные их представители, такие как колония Вольвокс (см. рис. 51), так же демонстрируют дифференциацию клеток: клетки, расположенные впереди, несут более развитые жгутики и глазки, имеются половые клетки, дающие мужские и женские гаметы, и особые клетки, обеспечивающие бесполое размножение. Предложено различать пять царств живых существ (рис. 88) . Все прокариоты объединяют в рамках царства Монера, Рис. 88. Система пяти царств живого четко обособленного от всех эукариот. Среди последних различают царства Животные, Растения, Грибы и Протисты. К царству животных относят многоклеточных животных, начиная с губок. Это организмы тканевой организации, с гетеротрофным питанием. В царство растения включают только высшие растения. Они представляют собой тканевые организмы, преимущественно наземные, автотрофные по способу питания, обладающие хлоропластами с хлорофиллом a и b и клеточной стенкой, в состав которой входит целлюлоза. Грибы отличает наличие мицелия, из которого построено их вегетативное тело. Вспомним, что мицелий состоит из многочисленных переплетающихся нитей (гиф). С растениями грибы сближает наличие клеточной стенки, способность к абсорбции питательных веществ из растворов и чаще всего неподвижный наземный образ жизни вегетативных стадий. В то же время у грибов много общих черт с животными. Это и гетеротрофное питание, и наличие в клеточной стенке хитина (входит в состав кутикулы полихет, насекомых, пауков и др.), и запасание питательных веществ в виде гликогена, а не крахмала, и др. Три перечисленных выше царства эукариот отчетливо различаются и по своей экологической роли в биосфере: растения – это продуценты, живот-ные – консументы, а грибы – редуценты (см. § 34). Сложнее обстоит дело с царством Протистов, куда попадают все дотканевые организмы, среди которых есть и автотрофы (водоросли), и гетеротрофы (инфузории, амебы и др.), а так же существа, способ питания которых может меняться в зависимости от условий среды (например, эвглена на свету фотосинтезирует, а в темноте переходит к гетеротрофии). Практически все протисты подвижны хотя бы на одной из стадий жизненного цикла (у водорослей – это зооспоры и гаметы). Причем имеют место весьма разнообразные способы движения: при помощи жгутиков и ресничек, амебоидное и скользящее (диатомеи) движения. У протистов мы сталкиваемся с разными вариантами строения хлоропластов (см. далее), клеточных покровов, цитоскелета и др. Здесь обнаруживаются самые разнообразные типы жизненных циклов, в которых причудливым образом сочетаются разные поколения, гаплоидные, диплоидные и полиплоидные стадии. Подобное многообразие протистов не удивительно. Именно на уровне дотканевых эукариот шла эволюция эукариотной организации, приобретались разные клеточные системы, которые закреплялись затем у высших эукариот, использовались все возможности одноклеточного организма и апробировались разные варианты выхода за пределы этого состояния, шло становление полового процесса и испытывались самые различные типы жизненных циклов (подробнее см. в § 84). Царство Протистов, таким образом, объединяет все результаты «эволюционных экспериментов» дотканевого уровня организации эукариот и потому не может быть цельным. Родственные связи царств живых организмов. Современные данные молекулярной биологии свидетельствуют, что прокариоты не являются цельной группой, а отчетливо разделяются на два царства – Бактерии и Археи. Первых подавляющее большинство, именно о них у нас шла речь в § 36. Архей всего около 45 видов и живут они в экстремальных условиях, например в горячих источниках. От бактерий их отличают особенности химического состава и строения мембран, организация генома, которая ближе к характерной для эукариот (см. в § 50). Видимо, от близких к археям древних прокариот и произошли в ходе эволюции эукариоты (§ 00) (рис. 89). Рис. 89. Предполагаемая схема филогенетических взаимоотношений между царствами живых организмов Четко выделяются зеленые водоросли и высшие растения, которые и формируют царство Растения. Для них характерны окруженные двумя мембранами хлоропласты с гранами и наличие хлорофиллов a и b. В это царство включают и красные водоросли (багрянки), имеющие только хлорофилл a. Второе четко очерченное царство фотосинтезирующих эукариот представляют собой Хромисты. В его состав входят все протисты, обладающие хлорофиллами a и c и хлоропластами, окруженными тремя или даже четырьмя мембранами. Это диатомовые, желто-зеленые, бурые и некоторые другие водоросли. Самостоятельные царства представляют собой Грибы и Животные. Их состав тот же, что был определен в рамках пятицарственной системы, основанной на выделении подуровней организации. Заметим, что филогенетически грибы ближе к Животным, чем к Хромистам и Растениям.
○ 1. Какие критерии использовали Аристотель, Линней и Ламарк для выделения царств растений и животных? ○ 2. Какие подуровни внутри организменного уровня организации живого можно выделить? 3. На основании каких критериев выделены царства Монеры, Протисты, Растения, Грибы и Животные? § 49. Как реализуется генетическая информация Урок-лекция Можно объяснится с теми, кто говорит на другом языке, но не с теми, кто в те же слова вкладывает совсем другой смысл. Ж. Ростан Ч
то представляет собой генетический код? Как информация о белке считывается с ДНК? Как эта информация транслируется в виде последовательности аминокислот в белке? Г
енетический код. Триплетность. Кодон. Антикодон. Транскрипция. Трансляция. МРНК. ТРНК. Н
уклеиновые кислоты, аминокислоты и белки, строение клетки, рибосома, многообразие живого (§ 28-32 и Биология 9 кл.). Иллюстрация Портреты представителей династии Габсбургов или фото близнецов Преобразование информации в живых системах. Вы уже рассмотрели много примеров того, как состав химических соединений отражается на их свойствах. Взаимозависимость состава и свойств в биологических системах значительно сложнее. Речь идет о кодировании в структуре участка молекулы ДНК сведений о совершенно другом веществе – белке, который обладает своими собственными свойствами, определяемыми его структурой и выделяет определенную функцию. Собственно механизм такого преобразования информации, заключенной в структуре ДНК, в структуру и свойства белка и является фундаментальным свойством живого, определившим появление в природе такого феномена как жизнь (§§ 28, 00). Генетический код. Со времени открытия Дж. Уотсоном и Ф. Криком строения ДНК, ученые стали искать ключи к тому шифру, с помощью которого на молекуле ДНК записана информация о белке. Вспомним, что в белковом «алфавите» 20 букв-аминокислот, а букв-нуклеотидов в составе ДНК всего четырех. Если каждый нуклеотид соответствовал бы только одной аминокислоте, то 16 аминокислот не имели бы шанса попасть в белок. Если бы «слова» генетического кода состояли из двух букв-нуклеотидов, то число возможных комбинаций увеличилось бы до 42 = 16, чего тоже недостаточно. А вот сочетание по три (триплет) из четырех букв-нуклеотидов дает 43 = 64 комбинации, который хватает с избытком. Экспериментально установлено, что генетический код действительно читается группами по три нуклеотида, т. е. код триплетен. Каждый триплет кодирует одну аминокислоту и называется кодоном. Важнейшими характеристиками генетического кода, помимо его триплетности, являются следующие:
Честь открытия генетического кода (1961 г.) принадлежит Ф. Крику и его сотрудникам. Они изучали изменения в строении белка бактериофага, вызванные добавлением или выпадением из кодирующего его гена одного или нескольких нуклеотидов. Транскрипция. Участки ДНК, кодирующие последовательность аминокислот в молекуле белка, получили название структурных генов. Началом реализации записанной на них информации служит создание РНК-копии структурного гена – транскрипция (переписывание) (рис. 90). Рис.90. Транскрипция Важная роль в этом процессе принадлежит ферменту РНК-полимеразе. Он распознает начало структурного гена, присоединяется к нему и тем самым провоцирует раскручивание витка спирали ДНК. При этом обнажается участок одноцепочечной ДНК, который должен послужить матрицей для создания на нем РНК-копии. Процесс этот протекает в строгом соответствии с принципом комплиментарности, и сходен с образованием новой цепи ДНК в ходе репликации (§ 29–30). РНК-полимераза перемещается по матричной цепи ДНК и постепенно наращивает комплиментарную ей цепь РНК. Фермент продолжает присоединять нуклеотиды к растущей цепи РНК, пока не дойдет до конца гена. Достигнув этой точки, РНК-полимераза сходит с цепи ДНК, а затем от нее отсоединяется и образовавшаяся РНК-копия, называемая информационной или матричной (мРНК). Вслед за этим цепочки ДНК расплетенного участка соединяются вновь, и восстанавливают форму двойной спирали. Транскрипция завершена, мРНК поступает через ядерные поры в цитоплазму. Трансляция. В ходе трансляции записанная на мРНК в виде последовательности нуклеотидных оснований информация преобразуется в последовательность аминокислот. Процесс это протекает на рибосомах и для его успешной реализации необходим еще один тип РНК – это короткие транспортные РНК (тРНК). Каждая молекула тРНК имеет определенную пространственную конфигурацию, несколько напоминающую листок клевера (рис. 91). Рис. 91. Молекула тРНК На одном конце молекулы располагается триплет – антикодон, способный спариваться с комплиментарным ему триплетом (кодоном) мРНК. Триплет на другом конце тРНК может образовывать ковалентную связь со специфической аминокислотой. В клетке существуют тРНК с разными антикодонами и, соответственно, способные связываться с каждой из 20 аминокислот биологического ряда. В центре молекулы (на верхушке среднего «листка клевера») располагается триплет – антикодон, способный спариваться с комплементарным ему триплетом (кодоном) мРНК. Триплет на конце тРНК может образовывать ковалентную связь со специфической аминокислотой. В клетке существуют тРНК с разными антикодонами и, соответственно, способные связываться с каждой из 20 аминокислот, необходимых для синтеза белка. Сама рибосома представляет собой сложную биохимическую систему, предназначенную для синтеза белка в соответствии с инструкциями, записанными в структуре мРНК. Сначала рибосома связывается с мРНК, а вслед за этим к комплексу мРНК-рибосома присоединяется несущая аминокислоту тРНК, антикодон которой комплиментарен первому кодону мРНК (рис. 92). Затем рядом с первой тРНК присоединяется вторая с Рис. 92. Отдельные этапы биосинтеза белка. А – Антикодоны первых двух тРНК присоединяются к рибосоме; Б – фермент связывает аминокислоты друг с другом, освобождая первую аминокислоту от ее тРНК; В – первая тРНК покидает рибосому, рибосома перемещается вдоль мРНК на один кодон, к которому своим антикодоном подсоединяется третья тРНК антикодоном, комплиментарным второму кодону мРНК и т.д. Специальный фермент связывает между собой две аминокислоты, доставленные этими двумя тРНК, которые пока еще остаются присоединенными к комплексу. После этого первая тРНК покидает рибосому, чтобы присоединить новую молекулу соответствующей ей аминокислоты. Тем временем рибосома продвигается вдоль мРНК и вторая тРНК с присоединенной к ней аминокислотой занимает место первой. Все это повторяется многократно, до тех пор, пока рибосома не дойдет до стоп-кодона на мРНК, которым заканчивается любой структурный ген. Достигнув его, рибосома и вновь синтезированный белок отсоединяются от мРНК и переходят в цитоплазму клетки. К одной молекуле мРНК прикрепляется обычно много рибосом, которые, продвигаясь вдоль нее, транслируют кодон за кодоном новые молекулы белка (рис. 93). Рис. 93. Схема строения полисомы Такая структура получила название полисома. Рибосомы работают очень эффективно: за 1 с бактериальная рибосома присоединяет к растущей цепи 20 аминокислот, а в организме человека за 1 с синтезируется 5∙1014 молекул гемоглобина – белка с уникальной последовательностью из 574 аминокислот. Процесс биосинтеза белка – один из самых энергоемких в реакциях пластического обмена клетки. На образование одной пептидной связи в синтезируемом белке расходуется четыре молекулы АТФ – две при присоединении аминокислоты к тРНК и две непосредственно на рибосоме. Передача генетической информации идет по цепочке ДНК–м РНК–белок. Этот процесс проходит при участии многих ферментов и требует затрат энергии, поставляемой АТФ. Генетический код триплетен, поскольку каждая аминокислота кодируется определенным сочетанием из трех нуклеотидов (триплет), называемым кодоном. К другим свойствам генетического кода относятся его однозначность, вырожденность и универсальность. В ходе транскрипции происходит матричный синтез мРНК с участка ДНК – структурного гена, несущего информацию о белке. Синтез белка в соответствии с записанной на зрелой мРНК информацией (трансляция) проходит на рибосомах, куда молекулами тРНК доставляются аминокислоты. Правильность трансляции обеспечивается тем, что молекула тРНК, обладающая определенным антикодоном, может связываться только с определенной аминокислотой. Кодоны мРНК последовательно распознаются антикодонами тРНК, а связанные с этими тРНК аминокислоты соединяются друг с другом, формируя белок. ○ 1. Что такое генетический код?? ○ 2. Как устроены тРНК? ○ 3. Как происходит синтез белка на рибосоме? ●4. К чему приводит преобразование генетической информации? *5. Почему носителеями генетической информации являются именно азотистые основания?
Живописцы, окуните ваши кисти В суету дворов арбатских и зарю, Чтобы были ваши кисти словно листья. Словно листья, словно листья к ноябрю.
История (разделы по художественной культуре) – импрессионизм как явление художественной культуры, эксперименты и открытия импрессионистов (История, 8 кл.); Мировая художественная культура – импрессионизм в зарубежной и отечественной культуре (МХК); физика – явление диффузии, оптика (Физика, 8 – 9 кл.). Цель работы: Показать роль и значение искусства как способа познания окружающего мира для расширения сферы естественнонаучных представлений о взаимосвязи состава, структуры и свойств объектов. План семинара:
В течение многих столетий секрет взаимосвязи структуры и свойств объектов пытались раскрыть не только ученые и философы, но и живописцы, которые осознавали, какое важное значение для реализации их творческого замысла имеет структура: основа, на которой создано произведение, тип красочного материала, техника его наложения, способы получения цвета и др. Тема для обсуждения 1. Живописцев всегда интересовало, связаны ли между собой характер произведения и особенности «красочного материала»? Разобраться в этом нам помогут три произведения с видами Санкт-Петербурга, сделанные разными авторами в разное время: ● Ф. Я. Алексеев. Вид на стрелку Васильевского острова от Петропавловской крепости. 1810 ● А. Е. Мартынов. Конюшенный мост через Мойку (ок. 1820) ● Мстислав Добужинский. Вид Крюкова канала Рассмотрите их и почувствуйте настроение каждого произведения. Попытайтесь описать словами это настроение. Сравните свои впечатления и обсудите, зависит ли характер изображения от того выполнено оно густыми масляными красками (Алексеев), прозрачной легкой акварелью (Мартынов) или в черно-белой технике литографии (Добужинский)? Поясните свою точку зрения, опираясь на то, что вы видите.
● Клод Моне. Скалы в Бель-Иль (1886) Художник сумел передать ощущение простора, солнца, воздуха, движения волн, с шумом и брызгами разбивающихся о подножье скал. Чтобы понять, как ему это удавалось, присмотритесь к изображению воды и воздуха: структуре цвета и порядку расположения мазков краски на холсте. Что особенно вы сумели подметить в изображении? Обсудите ваши наблюдения. А теперь сравните то, как написано море у К. Моне (или других импрессионистов) и на картине русского художники первой половины XIX в. Г. В. Сороки. ● Г. В. Сорока. Рыбаки (вторая половина 1840-х гг.) Заметили ли вы разницу? Как вы думаете, влияет ли структура и порядок нанесения цветовых мазков на характер и «настроение», которое зритель ощущает в картине? Аргументируете свое мнение. Как вы думаете, почему именную такую технику письма использовал Моне? Возможно, ответ на вопрос вам поможет найти хорошо знакомое из курса физики явление диффузии. Если ответить на вопросы сразу немного сложно, воспользуйтесь заметками на полях. Подсказка: Импрессионисты стремились запечатлеть изменчивость окружающего мира. Они заметили, что цвет и объем предметов могут изменяться в зависимости от освещения, времени суток или цвета находящихся рядом предметов. Поэтому художники перестали работать в закрытых студиях и вышли на природу. Живописцы мечтали передать на холсте то, что видит глаз. Для этого понадобилось изменить манеру письма: отказаться от тщательного рисунка, заменив его несколькими штрихами, дающими общее впечатление, силуэт; работать так быстро, чтобы рука успевала зафиксировать малейшее изменение в природе и, что особенно важно, писать «чистыми» красками, не смешивая их на палитре (последнее было подсказано игрой света на поверхности воды). Красочные мазки накладывались тесно один к другому, уже на холсте сливаясь в нужную гамму. Дополнительные источники информации: 1. Л. В о л ы н с к и й. Зеленое дерево жизни (любое издание) 2. Дж. Р е в а л д. История импрессионизма – М., 1999.
● Ван Гог. Куст (1889) Обратите внимание на то как «по-особенному» выглядит поверхность картины (художник иногда выдавливал краску из тюбика на холст и размазывал пальцами). Что с вашей точки зрения создает такое «объемное» изображение? Что вы чувствуете, когда рассматриваете это произведение? Обсудите ваши ощущения.
1. И. С т о у н. Жажда жизни – СПб., 1993. 2. Е. М у р и н а. Ван Гог – М., 1978
● Икона. Борис и Глеб (середина XIV в.) ● Эжен Грассе. Весна (1884) ● Фрагмент мозаичного панно из Помпей или гобелен Сравните изображения, основой для которых послужил разный материал: деревянная доска для иконы, стекло для витража и холст для картины. Как вы думаете, как структура основы произведения помогает понять смысл, который хотел донести до зрителя автор? Аргументируйте свою позицию.
Материалом для обсуждения на семинаре были различные произведения изобразительного искусства, рассматривая и обсуждая которые вы имели возможность расширить представления о взаимосвязи структур и свойств объектов. Безусловно, естественные науки дают богатейшие возможности для исследования этой проблемы, но именно искусство позволяет осмыслить ее в ином ракурсе, обозначить аспекты, которые обычно при изучении наук остаются вне круга нашего внимания. Возможно, некоторые выводы небесспорны или неоднозначны, но, вероятно, в этом и заключается одна из задач семинара – поставить вопросы, ответы на которые можно искать всю жизнь. 1 Менандр (342 – 292 до н. э.) – древнегреческий поэт-композитор. 1Т. е. объяснил одно неизвестное через другое, тоже неизвестное. жүктеу/скачать 281 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|
