Учебно-методический комплекс дисциплины «Естествознание» для специальности 5В060700 «Биология» учебно-методические материалы семей 2015
жүктеу/скачать 0.6 Mb.
|
Селекция (лат. selectio — выбор, отбор) — выведение новых и улучшение существующих сортов растений, пород животных путем применения научных методов отбора. Симпатрическое видообразование (от греч. syn — вместе) - новый вид зарождается в пределах одной популяции материнского вида с озникновением биологической изоляции. Синапс - область контакта нервных клеток (нейронов) друг с другом. Симбиоз - совместная жизнь двух или более особей разных систематических групп, в ходе которой оба партнёра (симбионты) или один из них получают преимущества в отношениях с внешней средой. Сообщество - ассоциация взаимодействующих популяций, обычно определяемая характером их взаимодействия или местом, где они живут. Сознание – высшая форма психического отражения, свойственная общественно развитому человеку и связанная с речью. Сорт — совокупность особей культурных растений одного вида, устойчиво обладающих в конкретных условиях возделывания определенными морфо- фи-зиологическими и хозяйственными признаками. Стратегия - форма организации человеческих взаимодействий, максимально учитывающая возможности, перспективы, средства деятельности субъектов, проблемы, трудности, конфликты, которые препятствуют осуществлению взаимодействий. Стратиграфия — раздел геологии, изучающий последовательность формирования геологических тел и их первоначальные пространственные взаимоотношения. Стратосфера (лат. stratum — слой и сфера) — слой атмосферы, лежащий над тропосферой от 8—10 км в высоких широтах и от 16—18 км вблизи экватора до 50—55 км; характеризуется повышенным по сравнению с ниже- и вышележащими слоями содержанием озона. Сукцессия (от лат. sucession – преемственность, наследование) – закономерная последовательная смена одних видов живых организмов другими на определенном участке земной поверхности. Таксон1 — подразделение биологической систематики. Таксон2 - достаточно обособленная группа организмов, связанных той или дугой степенью родства, выделяемая в определённую таксономическую категорию (подвид, вид, род, семейство и т. д.). Телеология (в биологии) — идеалистическое учение, согласно которому живые организмы целесообразно сотворены высшей силой, Богом. Тенденция - направление развития какого-либо явления или процесса. Теория катастроф – раздел биологии, задачей которого является описание всех существующих и вымерших организмов, а также их классификация. Тимин — пиримидиновое основание, содержащееся во всех живых организмах в составе ДНК; одна из четырех «букв» генетического кода. Ткань - совокупность клеток и межклеточного вещества, сходных по строению и выполняемым функциям. Транскрипция (от лат. transcription- переписывание) генетической информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочечной молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует последовательности нуклеотидов матрицы – полинуклеотидной цепи ДНК. Трансляция (от лат. translatio-передача) – перевод последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК (кодонов иРНК) в последовательность аминокислот. Трофический уровень — это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. Трофические цепи (цепь пищевая, цепь питания) – ряд видов или их групп, каждое предыдущее звено в которых служит пищей для следующего. В пределах трофической цепи отличают травоядность, паразитизм и хищничество. Трофические отношения - один вид в биоценозе питается другим (либо мертвыми остатками особей этого вида, либо продуктами их жизнедеятельности). Топические отношения - изменение условий обитания одного вида в результате жизнедеятельности другого Углеводы, или сахариды, - органические вещества с общей формулой Cn(H2O)m. Выполняют две основные функции: строительную (хитин) и энергетическую (крахмал у растений и гликоген у животных – энергетический резерв). Ультрафиолетовое излучение - электромагнитное излучение, длина волны которого короче длины волны видимого фиолетового света. Фаги (бактериофаги, бактериальные вирусы) — доклеточные формы живого; прокариоты (до-ядерные). Фагоцитоз – способность особых, блуждающих клеток активно захватывать и уничтожать различные инородные тела. Факторы эволюции - движущая сила, вызывающая и закрепляющая изменения в популяциях как элементарных единицах эволюции. Важнейшими факторами эволюции являются: мутационный процесс и естественный отбор. Фабрические отношения — тип связей, при которых особи одного вида используют для своих сооружений продукты выделения, мертвые остатки либо даже живых особей другого вида. Например, птицы строят гнезда из сухих веточек, травы, шерсти млекопитающих и т.п. Личинки ручейников для строительства своих домиков используют кусочки корыпесчинки, обломки раковин или же сами раковины с живыми моллюсками мелких видов. Фауна (лат. Fauna — богиня лесов и полей, покровительница животных в римской мифологии) — исторически сложившаяся совокупность видов животных, обитающих на определенной территории. Фен - наследуемый признак организма. Фенопласты — пластмассы на основе главным образом фенолформальдегидных смол; используются как коррозионностойкие конструкционные материалы. Фенотип1 - совокупность всех фенов, сформировавшихся в процессе его индивидуального развития. Фенотип2 — совокупность всех признаков организма, обусловленных его генотипом. Фермент - биологический катализатор; вещество, ускоряющее биохимические реакции. Ферменты3 (лат. fermentum — закваска) — биологические катализаторы, присутствующие во всех живых клетках; осуществляют превращение веществ в организме, направляя и регулируя тем самым его обмен веществ; по химической природе — белки. Фенокопии – это ненаследственное изменение генотипа, которое напоминает наследственные заболевания (увеличение щитовидной железы на территории, где в воде или земле не хватает йода). Феромоны — химические вещества, вырабатываемые экзокринными железами (или специальными клетками) животных, выделяясь во внешнюю среду одними особями, феромоны оказывают влияние на поведение, а иногда на рост и развитие других особей того же вида; феромоны и их химические аналоги применяются в борьбе с насекомыми-вредителями. Физиология – наука о жизненных функциях целого организма, его отдельных органов и систем. Филогенез1 — процесс исторического формирования некоторой систематической группы организмов (таксона). Филогенез2 – это необратимое направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Форические отношения — участие одного вида в распространении другого. В этой роли обычно выступают животные, переносящие семена, споры, пыльцу растений. Так, обладающие цепляющимися шипами семена лопуха или череды могут захватываться шерстью крупных млекопитающих и переноситься на большие расстояния. Фототроф – фотосинтезирующий организм, то есть использующий для фотосинтеза энергию света. Хемосинтез – процесс образования микроорганизмами органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно -восстановительных реакций. Хиральность — свойство молекулы не совмещаться со своим отображением в идеальном плоском зеркале; является необходимым условием оптической активности молекул. Хищничество – питание животными (с их поимкой и, как правило, умерщвлением), то есть питание не падалью. Главная сила передвижения энергии и вещества в экосистеме. Хромосома1 - материальная основа наследственности. Самовоспроизводящийся структурный элемент ядра клетки, содержащий ДНК, в которой заключена генетическая информация. Хромосомы2 — элементы ядра клетки, содержащие гены (молекулы ДНК); ДНК хромосом содержит информацию о наследственности и отвечает за передачу ее вновь образованным клеткам. Хромосомы3 — структурные элементы ядра клетки, содержащие ДНК, в которой заключена последовательная информация организма; в хромосомах в линейном порядке расположены гены. Центромера — участок хромосомы, удерживающий вместе две ее нити; во время деления центромера направляет движение хромосом к полюсам клетки. Цитозин — пиримидиновое основание, содержащееся во всех живых организмах в составе нуклеиновых кислот, одна из четырех «букв» генетического кода. Цитокинины — группа гормонов растений, производные азотистых оснований пурина; повышают скорость деления клеток. Цитология1 — раздел биологии, изучающий клетки живых организмов. Цитология2 – наука, изучающая строение, химический состав, функции, индивидуальное развитие и эволюцию живых клеток. Цитоплазма1 — одна из основных частей клетки; живая коллоидная система с упорядоченной субмикроскопической структурой; содержит все органоиды и обусловливает жизнедеятельность клетки в целом. Цитоплазма2 — внеядерная часть протоплазмы животных и растительных клеток. Штамм1 (нем. Stamm) — чистая культура микроорганизмов одного вида. Штамм2 – чистая культура микроорганизмов или вирусов одного чётко выделенного и хорошо изученного вида, отличающегося от других культур того же вида организмов рядом физиолого-биохимических свойств (например, чувствительностью к антибиотикам). Эволюция1 (лат. evolutio — развертывание) — одна из форм движения в природе и обществе — непрерывное, постепенное количественное изменение в отличие от революции. Эволюция2 - непрерывное, постепенное количественное изменение. Необратимое и направленное историческое развитие живой природы. Эволюционная теория - комплекс знаний об общих закономерностях и движущих силах исторического развития живой природы. Основой эволюционной теории служит утверждение о том, что все ныне существующие организмы произошли от ранее существовавших путем длительного их изменения под воздействием внешних и внутренних факторов. Экоклин - географический градиент растительности. Экологический континуум - взаимопереливание друг в друга экосистем и популяций, то есть отсутствие границ между ними. Экологическая сукцессия - постепенная, необратимая, направленная смена одних биоценозов другими на одной и той же территории под влиянием природных факторов или воздействия человека. Экология - часть биологии, изучающая отношения организмов (особей, популяций, биоценозов) между собой и окружающей средой; дисциплина, изучающая общие законы функционирования экосистем различного иерархического уровня. Экологическая культура — это система знаний, умений, ценностей человека, его верований, традиций, обычаев, законов, нравственности, ответственности за принимаемые решения в системе «человек — окружающая среда». Экосистема1 (греч. oikos — жилище, местопребывание и система) — единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания. Экосистема2 - вся совокупность взаимодействующих факторов физического и биологического мира определённого участка биосферы. Экотип - генетически дифференцированная субпопуляция, ограниченная определённым местообитанием. Экотон - переходная полоса (или зона) между смежными физиономически различимыми сообществами называется. Элиминация (в биологии) – гибель неприспособленных особей в процессе борьбы за существование. Неизбирательная элиминация возникает при воздействии на популяцию факторов среды, превосходящем адаптивные возможности данной популяции. Избирательная элиминация – гибель части особей популяции, обусловленная их более низкой относительной приспособленностью. Эмбриогенез — возникновение и развитие зародыша организма Эмбриология - изучает закономерности индивидуальности развития организмов, развитие зародыша. Эмоции - это психические реакции, с помощью которых человек переживает и субъективно выражает свое отношение к миру и к самому себе. Эндемики - виды, имеющие узкий ареал распространения. Эпигенез – учение о зарождении организмов, противоположное преформизму; согласно эпигенезу, качественная структура нового организма не предопределена в зародыше, а постепенно формируется по мере его роста. Эпителий - ткань, покрывающая поверхность организма или отдельного органа. Эргономика – научная дисциплина, исследующая трудовые процессы, в том числе их биологические составляющие, с целью создания наилучших условий труда. Этология - раздел зоологии, изучающий поведение животных в естественных условиях обитания. Этос – совокупность стабильных черт индивидуального характера, определяющих все его проявления. Эукариоты (греч. еu — хорошо и каrуоп — ядро) — все организмы, клетки которых содержат оформленное ядро, отделенное оболочкой от цитоплазмы. Ядро1 — самый заметный и самый большой органоид клетки, обеспечивающий важнейшие метаболические и генетические ее функции. Ядро2 - клеточная структура, в которой хранится наследственное вещество. Ярус — совместно произрастающие группы видов растении, различающиеся по высоте и положению в биоценозе ассимилирующих органов (листья, стебли, подземные органы — клубни, корневища, луковицы и т.п.).
Модуль 1. Научные основы происхождения жизни на Земле Лекция №1. Введение. Античные и средневековые представления о сущности и происхождении жизни на Земле.
1. Биология – наука о жизни Биология — наука о жизни. В настоящее время биология представляет собой комплекс наук о живой природе. Объектом изучения биологии являются живые организмы — растения и животные. Ботаника и зоология изучают многообразие видов, строение тела и функции органов, развитие, распространение, их сообщества, эволюцию. Первые сведения о живых организмах начал накапливать еще первобытный человек. Живые организмы доставляли ему пищу, материал для одежды и жилища. Уже в то время человек не мог обойтись без знаний о свойствах растений, местах их произрастания, сроках созревания плодов и семян, о местах обитания и повадках животных, на которых охотился, хищниках и ядовитых животных, которые могли угрожать его жизни. Так постепенно накапливались сведения о живых организмах. Приручение животных и начало возделывания растений потребовали более глубоких сведений о живых организмах. Значительный фактический материал о живых организмах был собран великим врачом Греции Гиппократом (ок. 460—377 г. до н. э.). Им собраны сведения о строении животных и человека, дано описание костей, мышц, сухожилий, головного и спинного мозга. Первый большой труд по зоологии принадлежит греческому естествоиспытателю Аристотелю (384—322 г. до н. э.). Он описал более 500 видов животных. Аристотель интересовался строением и образом жизни животных, он заложил основы зоологии. Первая работа по систематизации знаний о растениях выполнена Теофрастом (372—287 г. до и. э.). Расширением знаний о строении человеческого тела древняя наука обязана врачу Галену (ок. 130—200 г, до н. э.), производившему вскрытия обезьян и свиней. Труды его оказывали влияние на естествознание и медицину в течение нескольких веков. В эпоху средневековья под гнетом церкви наука развивалась очень медленно. Важным рубежом в развитии науки явилась эпоха Возрождения, начавшаяся в XV в. Уже в XVIII в. развивались как самостоятельные науки ботаника, зоология, анатомия человека, физиология. Постепенно накапливались сведения о многообразии видов, строении тела животных и человека, индивидуальном развитии, функциях органов растений и животных. На протяжении многовековой истории биологии крупнейшими вехами в изучении органического мира можно назвать введение принципов систематики, предложенных К. Линнеем; изобретение микроскопа; создание Т. Шванном клеточной теории; утверждение эволюционного учения Ч. Дарвина; открытие Г. Менделем основных закономерностей наследственности; применение электронного микроскопа для биологических исследований; расшифровка генетического кода; создание учения о биосфере». В связи с изучением растений на разных уровнях их организации исторически возник ряд разделов ботаники, каждый из которых решает свои задачи и использует собственные методы исследований. Выделяют следующие разделы ботаники:
• описать все существующие виды; • классифицировать их по более крупным таксонам; • восстановить пути эволюционного развития растительного мира. Палеоботаника изучает вымершие виды, дошедшие до нас в виде окаменелостей и отпечатков в горных породах, и тем самым помогает восстанавливать этапы развития растительного царства. Фитоценология изучает растительные сообщества (фитоценозы) и взаимодействия между их компонентами. География растений изучает распределение видов растений и фитоценозов по поверхности Земли в зависимости от климата, почвы и геологической истории. Экология– исследует взаимоотношения растений друг с другом и с условиями окружающей среды. Это далеко не полный перечень разделов ботаники. В последние годы появляются новые разделы, возникшие на стыке двух наук (например, экологическая анатомия, биохимическая систематика). А перечисленные основные разделы не всегда резко обособлены друг от друга, и их выделение в качестве самостоятельных научных дисциплин в значительной степени условно. 2. Античные и средневековые представления о сущности и происхождении жизни на Земле. Биология как некая система знаний возникла у древних греков. Греки и Римляни описали много известных им растений и животных, начиная с 100 – 200 г.г. н.э. Какие же имена нам известны ? Еще в 30 г.г. н.э. Плиний старший создавали своеобразные энциклопедии, содержащие подлинные факты, и вымысел. В эти же эпохи на санскрите (на древнеиндийской письменности – ныне мертвой) появились легендарные каноны Востока - Ганжур и Данжур. В истории науки мы должны отказаться от евроцентристских взглядов ! Европа создала многое, но и Азия (страны и этносы Востока) обогатили мировую цивилизацию. Кочевой мир Азии дали человечеству - Манас, Нартский эпос, Олонхо, Гэсэр, не хуже Элиады Гомера. Во времена Аристотеля (к 300 г.г. н.э.) уже было создано и сформулировано достаточно много теорий и сведений о живых существах. Так Клавдий Гален, живший 131 – 200 г.г. н.э., описал строение человеческого тела. Однако, они основывались на данных вскрытия обезьян, свиней и потому они имели ошибки. Все же Гален в истории биологии остался один из первых физиологов-экспериментаторов, изучавший кровеносную и нервную системы.
эмпирической, составлялись «травники» и «бестиарии» -некие каталоги и перечни, а также описания растений и животных. Однако, эти сводки упорядочивались по каким-либо искусственным признакам, часто хозяйственно значимым (пищевые, ядовитые и т.д.). С эпохи возрождения (15 век) вновь возрождается интерес к естествознанию. В эти бурные эпохи нового всплеска открытий было проведено множество исследований растений и животных. Они касались познания различных сторон строения, функций, образа жизни организмов. Из этой эпохи естествоиспытателей следует упомянуть такие имена как: Андреас Везалий (1514 – 1564), Уильям Гарвей ((1578 – 1657), Джон Хантер (1728 – 1793) и многих других. Последний из названных ученых заложил основы анатомии человека. В эти же периоды, в буддийских монастырях Тибета, Северо-Восточного Китая, Монголии бритоголовыми монахами создавались классические каноны, медицинские трактаты - Джудши, Вайдурья – Омбо, Дзайцхар - Мигжэм, а также их многочисленные комментарии. Последние стали предметом детального исследования в академических институтах СССР, России, в различных международных научных центрах Европы, Америки и Азии (США, Франция, Швейцария, Индия, Китай, Монголия, Япония). Так, в ИОЭБ СО РАН успешно работает отдел биологически активных веществ ИТМ, руководимый доктором медицинских наук, профессором С.М.Николаевым.
В девятнадцатом веке биология также бурно развивалась. Исследования живых организмов шло по пути все большей детализации структур органов и тканей, что вело к расширению наших знаний об известных в то время организмах. Появились физические, химические методы в биологии, все шире развиваются количественные изучение структур биологических систем. В ряду биологических наук появилась «Молекулярная биология», которая раскрыла тончайшие стороны организации живых организмов. Она изучала различные аспекты функционирования организмов: А) Функции генов, синтез ферментов, аминокислот, белков. Б) Анализ субклеточных структур, органоиды и их функции. В) Анализ молекулярных основ эволюции, исходя из идентичности белков и ферментов, а также веществ вторичного обмена - эфирных масел, гликозидов, алкалоидов, флавоноидов, ксантонов и других. Последние обладают физиологически активными свойствами и широко применяются в медицине, в создании новых фитопрепаратов. Фундаментальная научная значимость биохимического алфавита организмов связано с тем, что они могут многое прояснить в филогении организмов и их родственные отношения. На этих данных основана новая наука - «Хемосистематика». Например, среди полыней Сибири встречается один вид - Полынь клейкая или Неопалласия клейкая, которая одними систематиками относятся к роду «Полынь», а другие - к особому роду «Неопалласия», т.е. последние этот вид не относит к полыням. Суть заключается в том, что этот вид не только морфологически отличается от всех полыней, но в составе эфирных масел имеет ряд новых веществ наряду с отсутствием некоторых типичных сугубо «полынных масел». Вот так работают современные систематики. В молекулярной биологии многое изучается на простейших объектах (бактериях, муха – дрозофила), но закономерности в биосистемах общие. Простота объекта исключает много попутных «шумов» в экспериментах и позволяет уловить важнейшие процессы в хроматидах, что часто позволяет делать новые открытия.
Биология - одна из древнейших наук о мире живых организмов, но однако она и самая молодая наука. На земле человек как биологический вид - Homo sapiens существует более 20 000 лет. Это в геологическом измерении датируется верхним плейстоценом, когда на нашей планете еще не завершилась эпоха великих оледенений. По крайней мере находки следов древнего человека в Сибири достоверно известны с голоцена (7-9 тысяч лет назад), следы их деятельности, остатки орудий, которыми они охотились найдены во многих пещерах в Забайкалье. Они стали достоянием науки благодаря трудам великого историка-археолога, академика А.П.Окладникова и его учеников. Наши древние предки великолепно знали какие растения съедобны, а какие ядовитые, умели охотиться не только на мелких животных (Кяхтинский винторог - вымершее копытное Забайкалья), но и на гигантских их представителей. Например, охота на мамонтов. Вероятно, вам известна теория, доказывающая что причиной вымирания «шерстистых слонов» является человек. Правда, есть и другие гипотезы. Безусловно, биология - молодая наука, поскольку многие крупнейшие научные достижения в современной биологии установлены с открытием электронного микроскопа, сканирующих оптических систем и радиоэлектроники.
Рекомендуемая литература:
Лекция № 2. Возникновение жизни на Земле
1. Предпосылки возникновения жизни. По современным данным Земля образовалась 4,0 – 4,5 млрд лет назад. 100–600 млн лет понадобилось для ее остывания, образования коры, океанов, первичной атмосферы. Данные радиохимического анализа (по времени распада радиоактивных элементов) и палеомагнитологии совпадают и свидетельствуют, что возраст земной коры составляет около 3,9 млрд лет. По-видимому, жизнь на Земле возникла около 3,8 млрд лет назад. Признаки деятельности живых организмов обнаружены многократно в докембрийских породах, рассеянных по всему земному шару. В Южной Африке (местечко Фиг-Три) обнаружены породы со следами деятельности микроорганизмов, возраст которых более 3,5 млрд лет. Процессы, предшествовавшие возникновению жизни на Земле, несомненно, совершались на основе тех же физических и химических законов, которые действуют на Земле и ныне. Этот естественнонаучный принцип актуализма позволяет утверждать, что происхождение жизни связано с последовательным протеканием химических реакций на поверхности первичной планеты. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т.д.) и углерода (способность к восстановлению и образованию линейных соединений) определили то, что именно они оказались у колыбели жизни. Химические и физические свойства различных атомов и молекул делали обязательными взаимодействия между ними. Процессы возникновения жизни путем химических преобразований молекул не имели единичного и неповторяемого характера, а могли протекать в неодинаковых условиях на разных участках поверхности Земли. Какими же могли быть основные этапы химической эволюции жизни? 2. Современные представления о возникновении жизни. Возникновение и эволюция биологических систем – исходная тема биологии. Вокруг нее концентрируются все другие частнонаучные проблемы и вопросы, а также строятся философские обобщения и выводы. В соответствии с двумя основными мировоззренческими позициями – материалистической и идеалистической – еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической. Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Сторонники концепции происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позже эта позиция была конкретизирована в идее самозарождения жизни. Концепция самозарождения, несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль, опыты, призванные подтвердить ее, предоставили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в. В XIX в. была также выдвинута гипотеза вечного существования жизни и ее космического происхождения на Земле. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер высказал предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую. В 1907 г. шведский ученый С. Аррени-ус выдвинул схожую гипотезу, согласно которой зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планеты, дают начало жизни. Эта гипотеза получила название панспермии. В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый В.И. Вернадский. В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин в результате длительного процесса космической, геологической и химической эволюции – абиогенез. Абиогенная концепция не исключает возможности существования жизни в космосе и ее космического происхождения на Земле. Понятно, что воспроизвести процессы, происходившие в момент зарождения жизни, невозможно, поэтому любые заключения по этому вопросу и любые интерпретации этой темы основаны на методе моделирования (1.5).
По мере остывания земной поверхности происходило сгущение водяных паров, что впоследствии привело к образованию огромных водоемов. Результатом активной вулканической деятельности на первых этапах эволюции нашей планеты стал выброс на ее поверхность различных карбидов – соединений углерода с металлами. Карбиды смывались в первичный океан, где вступали во взаимодействие с водой. В результате этих химических реакций образовались различные углеводородные соединения. Второй этап возникновения живого связан с появлением белковыгх веществ. Присутствие в водах первичного океана большого числа углеродных соединений привело к возникновению концентрированного «органического бульона», в котором осуществлялся дальнейший процесс синтеза сложных органических молекул – белков и нуклеиновых кислот – из достаточно простых углеродных соединений. Одним из условий для синтеза сложных органических молекул – биополимеров – является высокая концентрация исходных веществ. Предполагается, что необходимые условия сложились в результате осаждения простых органических молекул на минеральных частицах, например на глине, первичных водоемов. Кроме того, органические молекулы могли образовывать тонкую пленку на поверхности воды, которая под воздействием ветра и водных потоков сбивалась к берегу, образуя толстые слои. Еще одним условием для синтеза биополимеров является наличие бескислородной среды, поскольку кислород, будучи сильным окислителем, моментально разрушил бы исходные органические соединения. Американский ученый Г. Юри выдвинул предположение, что первичная атмосфера Земли действительно была бескислородной и носила восстановительный характер. Она была насыщена инертными газами – гелием, неоном, аргоном, содержала водород, метан, аммиак и азот. Именно в такой среде легко создаются органические соединения. Вторичная атмосфера Земли имела уже иной состав, который стал следствием развития жизни. Вторичная атмосфера на 20 % состояла из кислорода и носила окислительный характер. Для подобного преобразования земной атмосферы понадобилось не менее 1 млрд лет. Идея Г. Юри оказала значительное влияние на развитие представлений о происхождении жизни. Возможность абиогенного синтеза биополимеров – белковых молекул и азотистых оснований – была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал жирные кислоты, уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь инертных газов. Таким образом было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений. Итак, под воздействием высокой температуры, ионизирующего и ультрафиолетового излучения, атмосферного электричества из простейших органических соединений образовались белки, жиры, углеводы и аминокислоты. Согласно гипотезе русского ученого А.И. Опарина, которая была изложена в работе «Происхождение жизни» (1924), смешиваясь в первичном «бульоне», поначалу разрозненные органические соединения способны образовывать коацерватные капли. Коацерваты уже обладают рядом свойств, которые объединяют их с простейшими живыми существами. Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействия друг с другом, увеличиваться в размерах и т. п. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегуляции, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам. Эксперименты с коацерватами показали, что скорость, с которой они поглощают вещества из окружающей среды, может быть различна и зависит от химической организации и пространственной структуры каждой конкретной капли. Поэтому две разновидности коацерва-тов в одном и том же растворе будут вести себя по-разному. Данные эксперименты являются косвенным подтверждением того обстоятельства, что на этой стадии предбиологичес-кой эволюции вполне мог происходить отбор коацерватов в зависимости от характера их взаимодействия с окружающей средой.
Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика (8.2). Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизмы возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой .
Рекомендуемая литература.
2 МОДУЛЬ Уровни организации живой материи Лекция №3. Основные свойства живых организмов.
Понятие живой системы относится к объектам весьма различного уровня сложности. Содержание этого понятия может быть определено лишь в терминах биокибернетики и в соответствии с идеей системной организации, на основе учета некоторых общих принципов функционирования живых систем, в частности в аспектах связей, контроля и управления. В соответствии с этим в общем определении живой системы не могут найти отражения конкретно-биологические особенности, характеризующие специфику тех или иных частных систем любого уровня: такие особенности могут быть учтены лишь в определениях живых систем конкретного уровня сложности, например в определении открытой и закрытой живых систем. Принимая во внимание большое разнообразие уровней организации известных в настоящее время живых систем и существующие между ними различия в формах их связей с окружающей их средой, общее определение живой системы можно сформулировать в следующем виде. Живая система — иерархически организованная сложная система, имеющая собственную программу развития, реализация которой обеспечивает сохранение системы на основе поддержания в ней определенного, отличного, от максимума уровня энтропии. Это определение подчеркивает, таким образом, все три основные особенности живой системы. Биологи, несомненно, обратили внимание на то, что в приведенном выше определении живой системы отсутствуют указания на традиционно выделяемые свойства живого. Это объясняется тем, что эти «традиционные» свойства в большинстве своем могут относиться не ко всем, а только к открытым живым системам, с которыми их и было принято связывать. Иначе говоря, прежние определения живого, содержащие эти «традиционные» элементы, оставляли за пределами живого закрытые живые системы, соответствующие состоянию полного анабиоза. Естественно, что наше общее определение, относящееся ко всем без исключения живым системам, не может содержать в себе элементы, приемлемые только для открытых систем. Как видно из приведенного определения, оно не содержит указания на нуклеиново-белковый характер субстратов живых систем. Это обусловлено тем фактом, что все три свойственные живым системам особенности принципиально могут быть реализованы не только на основе нуклеиново-белковых субстратов, но и на иной химической основе, в связи с чем этот нуклеиново-белковый вариант организации живой системы не может найти отражения в ее общем определении. Попытки обосновать общее определение живой системы исходя из нуклеиново-белковой природы земной жизни закономерно приводят к ограничительному толкованию этого понятия. Одним из примеров такого подхода может служить хотя бы следующее определение: «Живыми называются такие системы, которые обладают нуклеиновыми кислотами и белками и способны сами синтезировать эти вещества. Это определение неприложимо к древнейшим ступеням возникновения жизни, а также к существующим, возможно, внеземным живым системам, которые могут быть устроены иначе». Как видно из этого текста, подобное определение требует немедленных оговорок по поводу ограниченности сферы его применения. Кроме уже содержащихся в этом тексте ограничений, авторам вышеприведенного определения приходится считать, что вирусы — это объекты, «состоящие из нуклеиновых кислот и белков, но не являющиеся живыми», что противоречит их же собственному определению живой системы. Таким образом, попытки определения живой системы на основе констатации нуклеиново-белковой природы земных организмов исходят из предпосылок частного характера, т.е. страдают геоцентризмом и в этом смысле отражают пройденный этап развития биологии .
Живые системы имеют общие признаки: Клеточное строение – все существующие на Земле организмы состоят из клеток. Исключением являются вирусы, проявляющие свойства живого только в других организмах. Обмен веществ – совокупность биохимических превращений, происходящих в организме и других биосистемах. Саморегуляция – поддержание постоянства внутренней среды организма (гомеостаза). Стойкое нарушение гомеостаза ведет к гибели организма. Раздражимость – способность организма реагировать на внешние и внутренние раздражители (рефлексы у животных и тропизмы, таксисы и настии у растений). Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства в результате влияния внешней среды и изменений наследственного аппарата – молекул ДНК. Наследственность – способность организма передавать свои признаки из поколения в поколение. Репродукция или самовоспроизведение – способность живых систем воспроизводить себе подобных. В основе размножения лежит процесс удвоения молекул ДНК с последующим делением клеток. Рост и развитие – все организмы растут в течение своей жизни; под развитием понимают как индивидуальное развитие организма, так и историческое развитие живой природы. Открытость системы – свойство всех живых систем связанное с постоянным поступлением энергии извне и удалении продуктов жизнедеятельности. Иными словами организм жив, пока в нем происходит обмен веществами и энергией с окружающей средой. Способность к адаптациям – в процессе исторического развития и под действием естественного отбора организмы приобретают приспособления к условиям окружающей среды (адаптации). Организмы, не обладающие необходимыми приспособлениями, вымирают. Общность химического состава. Главными особенностями химического состава клетки и многоклеточного организма являются соединения углерода – белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. В неживой природе эти соединения не образуются. Общность химического состава живых систем и неживой природы говорит о единстве и связи живой и неживой материи. Весь мир представляет собой систему, в основании которой лежат отдельные атомы. Атомы, взаимодействуя друг с другом, образуют молекулы. Из молекул в неживых системах формируются кристаллы горных пород, звезды, планеты, вселенная. Из молекул, входящих в состав организмов формируются живые системы – клетки, ткани, организмы Вопросы для самоконтроля.
Рекомендуемая литература:
Лекция № 4. Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле.
1) Молекулярно-генетический уровень, представлен биологическими молекулами: нуклеиновыми кислотами, белками и так далее, находящимися в клетке. На этом уровне осуществляется кодирование и передача наследственной информации, обмен веществ и энергии, изменчивость и так далее. Макромолекулы универсальны, то есть, построены по одному плану у всех организмов, независимо от их видовой принадлежности. Механизмы метаболических процессов, происходящих на этом же уровне также универсальны, то есть биосинтез нуклеиновых кислот, аминокислот и белков протекают по сходной схеме у всех организмов. На молекулярном уровне осуществляется превращение энергии в биологически доступную в форме АТФ и переход её в механическую, химическую и другие виды работ. 2) Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен клетками, либо самостоятельными организмами (бактерии, простейшие), либо клетками многоклеточных организмов. 3) Тканевый уровень. Совокупность клеток сходных по структуре и функциям, объединяет ткань. 4) Органный уровень. Элементарной единицей этого уровня является орган – совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям. 5) Организменный (онтогенетический) уровень. Особь на этом уровне рассматривается с момента зарождения до смерти. 6) Популяционно-видовой уровень. Элементарной единицей этого уровня является популяция, характеризующаяся определенным генофондом. 7) Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз - экосистемы являются элементарными системами, где осуществляется круговорот веществ и энергии различными живыми организмами. 8) Биосферный уровень. Высшая форма организации живых систем представлена биосферой. На этом уровне объединяются все круговороты в единый биосферный круговорот веществ и энергии. Вопросы для самоконтроля:
Рекомендуемая литература:
Лекция №5. Методы исследования в биологии
Микроскопические методы исследования — способы изучения различных объектов с помощью микроскопа. В биологии и медицине эти методы позволяют изучать строение микроскопических объектов, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза человека. Основу М.м.и. составляет световая и электронная микроскопия. В практической и научной деятельности врачи различных специальностей — вирусологи, микробиологи, цитологи, морфологи, гематологи и др. помимо обычной световой микроскопии используют фазово-контрастную, интерференционную, люминесцентную, поляризационную, стереоскопическую, ультрафиолетовую, инфракрасную микроскопию. В основе этих методов лежат различные свойства света. При электронной микроскопии изображение объектов исследования возникает за счет направленного потока электронов. Для световой микроскопии и основанных на ней других М.м.и. определяющее значение помимо разрешающей способности микроскопаимеет характер и направленность светового луча, а также особенности изучаемого объекта, который может быть прозрачным и непрозрачным. В зависимости от свойств объекта изменяются физические свойства света — его цвет и яркость, связанные с длиной и амплитудой волны, фаза, плоскость и направление распространения волны. На использовании этих свойств света и строятся различные М.м.и. Для световой микроскопии биологические объекты обычно окрашивают с целью выявления тех или иных их свойств (рис. 1). При этом ткани должны быть фиксированы, т.к. окраска выявляет определенные структуры только убитых клеток. В живой клетке краситель обособляется в цитоплазме в виде вакуоли и не прокрашивает ее структуры. Однако в световом микроскопе можно изучать и живые биологические объекты с помощью метода витальной микроскопии. В этом случае применяют темнопольный конденсор, который встраивают в микроскоп. Для исследования живых и неокрашенных биологических объектов используют также фазово-контрастную микроскопию. Она основана на дифракции луча света в зависимости от особенностей объекта излучения. При этом изменяется длина и фаза световой волны. Объектив специального фазово-контрастного микроскопа содержит полупрозрачную фазовую пластинку. Живые микроскопические объекты или фиксированные, но не окрашенные микроорганизмы и клетки из-за их прозрачности практически не изменяют амплитуду и цвет проходящего через них светового луча. вызывая лишь сдвиг фазы его волны. Однако, пройдя через изучаемый объект, лучи света отклоняются от полупрозрачной фазовой пластинки. В результате между лучами, прошедшими через объект, и лучами светового фона возникает разность длины волны. Если эта разность составляет не менее 1/4 длины волны, то появляется зрительный эффект, при котором темный объект отчетливо виден на светлом фоне или наоборот в зависимости от особенностей фазовой пластинки
Итак, все микроскопы мира можно разделить на оптические (световые), электронные, рентгеновские и сканирующие зондовые микроскопы. Наиболее популярными являются оптические микроскопы, которые широко представлены в магазинах оптики. Данные микроскопы позволяют решать основные исследовательские задачи. Другие виды микроскопов относятся уже к специализированным, и используются в основном в лабораториях. О  птические микроскопы. Оптический световой микроскоп состоит из механической, оптической и осветительной частей. С помощью такого микроскопа можно различать микрочастицы до 0,20 мкм, а максимальное увеличение микроскопа составляет 2000 крат. Оптические микроскопы подразделяются на подвиды в зависимости от назначения: биологические, металлографические, поляризационные и так далее (более подробно о внутренней классификации здесь). О строении оптического микроскопа можно узнать из статьи «Конструкция микроскопа».
Э  лектронные микроскопы. Электронные микроскопы позволяют добиться гораздо большего увеличения, чем оптические. Все дело в использовании пучка электронов вместо светового потока, благодаря чему электронный микроскоп обеспечивает увеличение до 200 000 раз. Что касается разрешающей способности, то она в 1000 раз превосходит разрешающую способность оптического светового микроскопа. В конструкцию электронного микроскопа входят специальные магнитные линзы, которые управляют движением электронов. Подробнее об электронных микроскопах читайте в соответствующей статье.
Рентгеновские микроскопы. Действие таких микроскопов основано на использовании электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нм, что позволяет исследовать с их помощью очень малые объекты. Исходя из разрешающей способности рентгеновские микроскопы по их мощности можно позиционировать как нечто среднее межу оптическими и электронными микроскопами (разрешающая способность около 2-20 нм). С  канирующие зондовые микроскопы. Такой микроскоп Вы вряд ли приобретете для домашнего использования. Это уже специализированный класс микроскопов, в котором для построения изображения используется специальный зонд для сканирования поверхности. Благодаря такому микроскопу получают трехмерное изображение с очень высоким разрешением (вплоть до атомарного). Благодаря рекордному разрешению (менее 0,1 нм) такие микроскопы позволяют видеть молекулы и атомы, а также воздействовать на них (при этом объекты могут изучаться не только в вакууме, но и в газах и жидкостях)
Вопросы для самоконтроля.
Рекомендуемая литература:
Лекция №6. Учение о клетке.
Кле́тка — структурно-функциональная элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов ивироидов, о которых нередко говорят, как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению (животные, растения и грибы), либо является одноклеточным организмом(многие простейшие и бактерии). Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил названиецитологии. В последнее время принято также говорить о биологии клетки, или клеточной биологии. Клеточная теория строения организмов была сформирована в 1839 году немецкими учёными, зоологом Т. Шванном и ботаником М. Шлейденом, и включала в себя три положения. В 1858 году Рудольф Вирхов дополнил её ещё одним положением, однако в его идеях присутствовал ряд ошибок: так, он предполагал, что клетки слабо связаны друг с другом и существуют каждая «сама по себе». Лишь позднее удалось доказать целостность клеточной системы. В 1878 году русским учёным И. Д. Чистяковым открыт митоз в растительных клетках; в 1878 году В. Флемминг и П. И. Перемежко обнаруживают митоз у животных. В1882 году В. Флемминг наблюдает мейоз у животных клеток, а в 1888 году Э. Страсбургер — у растительных. Клеточная теория является одной из основополагающих идей современной биологии, она стала неопровержимым доказательством единства всего живого и фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Основные положения клеточной теории не потеряли своей актуальности, однако со времени её создания были дополнены, и теперь она содержит такие утверждения:
Следует отметить, что в разных источниках количество и формулировки отдельных положений современной клеточной теории могут отличаться Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток:
Несмотря на многообразие форм, организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам. Содержимое клетки отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.
Вода. Из неорганических веществ, входящих в состав клетки, важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы клетки. Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания. Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи. Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции:
Минеральные соли. Неорганические вещества в клетке, кроме воды, прецспавлевы минеральными солями.Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К+, Na+, Са2+, Mg:+, NH4+) и анионы (С1 , Н2Р04 -, НР042- , НС03 -, NO32--, SO4 2- ) Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке. Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновениепотенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения. Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии. Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9. Угольная кислота и ее анионы формируют бикарбонатную буферную систему, поддерживающую рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4. Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др. Ряд катионов и анионов необходим дпясинтеза важных органических веществ (например, фосфолипидов, АТФ, нуклеоти-дов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла и др.), а также аминокислот, являясь источниками атомов азота и серы. .
Органические соединения составляют в среднем 20—30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры — белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул — гормонов, пигментов, АТФ и многие другие. В различные типы клеток входит неодинаковое количество органических соединений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы — полисахариды, в животных — больше белков и жиров. Тем не менее, каждая из групп органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции. Аминокислоты, азотистые основания, липиды, углеводы и т. д. поступают в клетку вместе с пищей или образуются внутри ее из предшественников. Они служат исходными продуктами для синтеза ряда полимеров, необходимых клетке. Белки, как правило, являются мощными высокоспецифическими ферментами и регулируют обмен веществ клетки. Нуклеиновые кислоты служат хранителями наследственной информации. Кроме того, нуклеиновые кислоты контролируют образование соответствующих белков-ферментов в нужном количестве и в нужное время. жүктеу/скачать 0.6 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|