Долбик Г.М. Опорный конспект лекций по дисциплине Основы биологии. Основы общей биологии
Подождите немного. Документ загружается.
Тема: «Структурно-функциональная организация живых организмов»
Организм – любое белковое тело, обладающее совокупностью
свойств, отличающих его от неживой материи.
Живые организмы характеризуются высокоупорядоченным
строением, обменом веществ и энергозависимостью, саморегуляцией,
ростом, развитием, наследственностью и изменчивостью, раздражимостью и
способностью адаптироваться к условиям окружающей среды.
Онтогенез – процесс индивидуального развития организма с момента
его появления до конца жизни (до смерти или нового деления особи).
Живые организмы в плане структурной организации представлены 4
основными группами:
1. одноклеточный организм (бактерии, протисты)
2. сифоновая организация (сифоновые водоросли, грибы)
3. колониальная форма (например, вольвокс)
4. многоклеточный организм (грибы, растения, животные).
Организм с сифоновой организацией представляет собой крупную
многоядерную клетку, которая может быть представлена листовидной и
корневидной частями. При рассмотрении колониальной формы организации
можно привести пример вольвокса, клетки которого различаются по своей
морфологии и функционально (генеративные клетки служат для
размножения, вегетативные – для движения и питания).
Многоклеточные организмы могут быть представлены двумя
группами. Организмами без истинных тканей (их тело называется таллом и
не дифференцировано на ткани – это грибы, водоросли, печеночные мхи) и с
истинными тканями (тело которых дифференцировано на вегетативные и
генеративные органы (если речь идет о растениях) или на органы и системы
органов (у большинства животных)).
У животных и человека клетки и ткани образуют различные органы
(части тела, имеющие определенное строение и выполняющие определенные
функции), объединенные в системы органов. Животным свойственны
опорно-двигательная, пищеварительная, дыхательная, кровеносная,
выделительная и половая системы органов, выполняющие также
свойственные им функции. Согласованность и координация работы всех
систем органов осуществляется посредством нервной и эндокринной систем.
Питание – важнейшее и неотъемлемое свойство живых организмов –
есть способ получения питательных веществ из внешней среды. Судьба
органических веществ пищи в организме двоякая – часть из них используется
в реакциях пластического обмена для построения тела, а часть – в реакциях
энергетического обмена, как топливо для образования «универсальной
энергетической валюты» – АТФ. Обычно путь превращения
питательys[ веществ в организме таков: расщепление сложных органических
молекул до простых, затем их всасывание, транспорт, ассимиляция
(усвоение) и выделение непереваренных остатков пищи.
По способу питания организмы делятся на авто- и гетеротрофные.
Автотрофы представлены хемо- и фототрофами (энергия для анаболических
процессов добывается посредством химических реакций или в световых
стадиях фотосинтеза). Биогенный круговорот веществ достигается через
взаимодействие авто- и гетеротрофных организмов. Гетеротрофный тип
питания представлен голозойным, сапротрофным и симбионтным способом
питания. Голозойное питание (holos – целостный) характерно для животных
с пищеварительным трактом либо имеющих одноклеточное строение, т.е. для
тех организмов, в теле которых осуществляется вся цепь превращений
питательных веществ, указанная выше. Сапротрофное питание характерно
для грибов и бактерий, выделяющих в среду ферменты расщепления
органических веществ. Образующиеся мономеры поглощаются
поверхностью тела и усваиваются. Таким образом этап первичного
расщепления питательных веществ эти организмы осуществляют вне своего
тела. Симбиотическое питание свойственно организмам, ведущим
совместное существование и представлено мутуалистическим и
паразитическим способом питания. Характерные особенности каждого этапа
пищеварения изложены в учебной литературе.
Тема: «Размножение и индивидуальное развитие живых организмов»
Размножение – присущее всем организмам свойство воспроизводить
себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни.
Благодаря этому свойству живых организмов популяции и виды могут
существовать длительные исторические периоды.
Выделяют 2 формы размножения – бесполое и половое. Бесполое
происходит в отсутствие половых клеток, это древнейшая форма
размножения. Половое связано с образованием специализированных половых
клеток. Подробную характеристику обоих типов размножения можно найти в
учебной литературе.
Особой формой полового размножения является партеногенез, т.е.
развитие из неоплодотворенной яйцеклетки. Различают гаплоидный (у
паразитических ос, муравьев, пчел) и диплоидный (соматический),
наблюдаемый у тлей, дафний, коловраток, когда из диплоидной яйцеклетки
(не претерпевшей мейоза) формируются самки при благоприятных условиях
внешней среды. При неблагоприятных из гаплоидной яйцеклетки возникают
самцы.
Половые клетки сливаются в процессе оплодотворения, которому
обычно предшествует (у животных) осеменение. Различают наружное (у
водных организмов – рыб, земноводных и беспозвоночных) и внутреннее
(характерное в основном для животных, обитающих на суше). Важно
подчеркнуть, что собственно процесс оплодотворения сопровождается
слиянием ядер обеих гамет.
У растений наблюдается процесс так называемого двойного
оплодотворения, когда один из спермиев сливается с яйцеклеткой, а другой –
с центральным ядром (клеткой) зародышевого мешка. Мужской гаметофит –
это зрелое пыльцевое зерно (обычно на стадии прорастания, когда
генеративная клетка при делении образует 2 спермия, т.е. 2 мужские половые
клетки). Женский гаметофит – это сформированный зародышевый мешок –
структура, находящаяся в семяпочке и содержащая яйцеклетку, клетки
синергиды и антиподы, а также центральную клетку.
Процесс развития организма от зиготы до конца жизни (смерти)
называется онтогенез. Он подразделяется на эмбриональное и
постэмбриональное развитие. Эмбриональное развитие наблюдается от
деления зиготы до момента выхода из яйца (или рождения особи) – у
животных, либо от деления зиготы до прорастания семени (у растений). У
животных эмбриональное развитие представлено тремя важными этапами –
дроблением, гаструляцией и органогенезом. Характеристика этих этапов
описана в учебной литературе.
Постэмбриональное развитие может быть прямым (без личинки) и
непрямым (с метаморфозом). Непрямое развитие бывает полное (с личинкой
и куколкой) и неполное (только с личинкой). Описание этих процессов, а
также биологическое значение личиночной стадии можно найти в учебной
литературе.
Тема: «Популяционно-видовой уровень организации жизни»
Основная единица биологической классификации, а также
универсальная форма существования жизни – вид.
Вид – исторически сложившаяся совокупность популяций, особи
которых обладают наследственным сходством морфологических,
физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещиваются
между собой с образованием плодовитого потомства и занимающих
определенную территорию, называемую ареалом.
Вид – объективно существующее природное образование. Признаки,
по которым один вид отличается от другого, называют критериями вида. К
ним относятся морфологический, физиологический, географический,
экологический, генетический, биохимический.
Структурной единицей вида является популяция (группировка особей
одного вида, длительно населяющих определенную часть ареала, свободно
скрещивающихся между собой с образованием плодовитого потомства,
относительно обособленная от других группировок этого же вида). Каждая
популяция характеризуется своей структурой (пространственной, возрастной,
половой, генетической и экологической) и своими параметрами
(численностью и ее динамикой, а также плотностью).
Пространственная структура характеризуется такими типами
распределения особей, как случайное, равномерное и агрегированное.
Возрастная структура связана с наличием различных возрастных групп –
предрепродуктивной, репродуктивной и пострепродуктивной. О половой
структуре популяции говорят в тех случаях, когда особи данного вида
являются раздельнополыми. Очень часто экологическая роль популяции
определяется ее половой структурой. Самцы и самки могут различаться по
характеру питания, поведения и другим признакам. Численность популяций в
гораздо большей мере зависит от числа самок, чем от числа самцов.
Экологическая структура – это (кроме половой и возрастной)
подразделенность всякой популяции на группы особей, находящихся в
специфических связях с биотическими и абиотическими факторами среды.
Тема: «Биогеоценотический уровень организации жизни»
В природе популяции различных видов объединяются в сообщества,
или биогеоценозы – группы популяций растений, животных, грибов и
бактерий, совместно обитающих на относительно однородной территории в
одних и тех же условиях среды.
Пространство с более или менее однородными условиями, заселенное
конкретным биогеоценозом называется биотоп. Биотоп – это совокупность
климатических и почвенных факторов, а также условий увлажнения. Иначе
говоря, биотоп представлен эдафотопом, климатопом и гидротопом.
Биоценоз как сообщество живых организмов представлен фито-, зоо-, мико-
и микробоценозом. Биоценоз характеризуется видовой, пространственной и
экологической структурой. Видовая структура представлена доминантами,
предоминантами и эдификаторами. Доминанты – это виды, занимающие
господствующее положение в биоценозе. Предоминанты – это виды,
существующие за счет доминантов. Виды, создающие условия для жизни
других видов данного биоценоза называются эдификаторы.
Пространственная структура характеризует размещение
(распределение) организмов данного биоценоза в пространстве. Можно
говорить о вертикальном распределении организмов (ярусности) и
горизонтальном распределении организмов (синузиальности). Ярусность,
или вертикальное расслоение биоценоза на разновысокие части, наиболее
выражена в лесных фитоценозах.
Горизонтальная структура представлена синузиями – большими или
меньшими скоплениями растений данного фитоценоза, характеризующимися
определенным видовым составом и эколого-биологическим единством.
Экологическая структура связана с выделением для каждого вида
данного биоценоза экологической ниши. Понятие «экологическая ниша»
характеризует роль в биоценозе конкретного вида, т.е. образ жизни – чем он
питается, кто им питается, служит ли он укрытием для какого-либо вида и
т.д. Одинаковые биологические виды могут играть в разных биоценозах
различную экологическую роль. Таким образом, экологическая структура
слагается из определенных экологических групп организмов (т.е. организмов
со сходными экологическими нишами). Внутри каждой экологической ниши
выделяются организмы, выполняющие в ней определенные функции.
Видовая, пространственная и экологическая структура являются
важнейшими характеристиками биоценоза, помогающими в оценке его
временной и пространственной устойчивости и в предсказании последствий
его изменений, вызванных хозяйственной деятельностью человека.
Тема: «Биосфера – высший уровень организации жизни»
В соответствии с представлениями В.И. Вернадского биосфера – та
оболочка Земли, в формировании которой живые организмы играли и играют
основную роль. Таким образом, структура и энергетика современной
биосферы обусловлена не только настоящей, но и прошлой деятельностью
живых организмов. В.И. Вернадский выделял 3 главных компонента
биосферы – живое вещество, минеральные вещества, вовлеченные в
биогенный круговорот и продукты деятельности живого вещества, временно
не участвующие в биогенном круговороте.
Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы – тропосферу (до 25
км высоты), гидросферу (до 10 км глубины) и верхнюю часть литосферы
(главным образом почву). Указанные области биосферы связаны
биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии.
Структурной единицей биосферы является биогеоценоз. Биосфера
понимается как совокупность биогеоценозов, это экосистема высшего
порядка.
Различия в условиях жизни организмов в наземной и водной средах
обуславливают пространственную неоднородность биосферы. Выделяют
континентальную часть биосферы (29% поверхности Земли) и океаническую
часть биосферы (71%).
В учении Вернадского о биосфере главным является представление о
планетарной геохимической роли живого вещества в формировании
биосферы. Выделяют 5 главных функций живого вещества на Земле:
энергетическую, газовую, концентрационную, окислительно-
восстановительную и деструкционную.
Круговороты воды и основных биогенных элементов изложены в
учебной литературе.
Тема: «Развитие эволюционных представлений»
Зачатки теории эволюции органического мира можно найти в
произведениях древнегреческих и древнеримских философов. В XVIII – XIX
вв. были популярны представления о длительной геологической эволюции и
о том, что подобная эволюция могла обусловить и эволюцию органического
мира. В биологии господствовали идеи трансформизма и креационизма.
Додарвиновский период связан с именами К. Линнея и Ж.-Б. Ламарка.
К. Линней – родоначальник научной систематики, ввел бинарную
номенклатуру (название вида = название рода и видовой эпитет),
сохранившуюся и сейчас. Он также дал определение биологического вида и
разработал систему органического мира.
Первая попытка создания научной эволюционной теории
принадлежит Ж.-Б. Ламарку. Причинами эволюции он считал присущую
всем организмам жизненную силу (т.к. он был виталистом) и внутреннее
стремление к совершенству. Он считал, что приобретенные в течение жизни
новые признаки могут наследоваться, а степень развития того или иного
органа связана с его «упражнением иди неупражнением».
Теория эволюции путем естественного отбора была выдвинута Ч.
Дарвиным и А. Уоллесом. В 1859 г. вышла книга Ч. Дарвина
«Происхождение видов путем естественного отбора». Сутью теории
естественного отбора является выживание наиболее приспособленных.
Факторами эволюции Дарвин считал наследственную изменчивость, борьбу
за существование и как ее следствие – естественный отбор. Эти
представления оказали глубокое влияние на все биологические науки и
утвердили историческое понимание живой природы. Дарвин различал
определенную (групповую), неопределенную (индивидуальную) и
соотносительную (или коррелятивную). Под борьбой за существование
Дарвин понимал не столько прямую борьбу организмов друг с другом,
сколько совокупность всех сложных отношений между организмом и
внешней средой.
Тема: «Проблемы взаимоотношения человека и биосферы»
Влияние хозяйственной деятельности на биосферу началось с охоты,
скотоводства и земледелия, что постепенно приводило к изменению и даже
разрушению целых природных сообществ. Однако эти нарушения среды не
оказывали существенного влияния на биосферу в целом.
Ситуация стала резко меняться за последние 120 лет, когда, во-
первых, стала резко увеличиваться численность населения Земли, и, во-
вторых, резко возросло промышленное производство, производство энергии
и продуктов сельского хозяйства. В результате потоки вещества и энергии
стали составлять заметную долю от общей величины биогенного
круговорота. Это сказывается на функционировании всей биосферы.
Основными экологическими проблемами современности являются:
рост народонаселения; изменения состава атмосферы и климата; загрязнения
природных вод; истощение и загрязнение почвы; сокращение природного
разнообразия. Решение столь сложных экологических проблем требует от
человечества считается с законами природы и подчиняться им. Общей целью
человечества должно быть сбалансированное развитие, т.е. такой путь
социально-экономического и политического развития, который позволяет
удовлетворить нужды настоящего поколения, не подрывая при этом
способности будущих поколений удовлетворять свои нужды. Для этого
необходимо разработать и осуществить ряд программ, важнейшими из
которых являются: сдерживание роста народонаселения; развитие новых
промышленных технологий (исключающих загрязнение окружающей среды
и использующих новые источники энергии); увеличение производства
продовольствия при сохранении прежних посевных площадей; сохранение
природных сообществ.
Тема: «Биотехнология»
Под термином биотехнология часто понимают производство
необходимых человеку продуктов с помощью живых организмов,
культивируемых клеток и биологических процессов. Однако «с помощью
живых организмов» получают и молоко, яйца, шерсть, мясо, а
сельскохозяйственные растения получают из семян, клубней, побегов. Кроме
того, с древности известны виноделие, пивоварение, хлебопечение и
сыроделие, в основе которых лежат процессы брожения, осуществляемые
микроорганизмами. Все упомянутые производства можно назвать
«традиционной биотехнологией». Термин «биотехнология» вошел в научный
обиход с конца 60-х – начала 70-х годов XX века. Это произошло благодаря
важным открытиям в области биохимии, генетики, клеточной и
молекулярной биологии. Эти открытия позволили разработать методы
генной инженерии, клеточных технологий и иммобилизованных ферментов.
Предпосылкой прогресса в области генной инженерии было открытие
таких групп ферментов, как рестриктазы, лигазы, и открытие обратной
транскриптазы. Наряду с ферментами велись активные поиски генетических
векторов, с помощью которых можно было бы внедрить в геном клетки-
реципиента необходимые гены и заставить их экспрессироваться.
Совершенствовались такие методы клеточных технологий – методы
культивирования, слияния и манипуляции с клетками животных и растений.
Растительные клетки оказались способными не только к делению и
пролиферации в культивируемых условиях, но и к формированию целого
организма. Манипуляции с клетками животных оказались также успешными
(хотя до регенерации целого организма в условиях культуры дело пока не
дошло). Культивирование разных типов животных клеток и возможность их
слияния открыли новые перспективы, связанные с получением гибридных
клеток (гибридом). Подобные клетки-химеры обладали способностью
активно размножаться в культуре и при этом синтезировать важные
вещества, например, антитела определенной специфичности
(моноклональные антитела). Наработка в искусственных условиях гибридом
открыла возможность получения в промышленных количествах ценнейших
препаратов, появление которых без современных клеточных технологий
было бы невозможно.
В области биотехнологии растений методы культуры органов, тканей
и клеток открыли возможности получения безвирусных растений и растений
с уникальными свойствами (устойчивые к болезням и вредителям
культурных растений). С помощью культуры пыльников и семяпочек можно
получать гаплоидные растения – ценный селекционный материал.
В области микробиологической биотехнологии созданы эффективные
штаммы для оптимизации процессов традиционной промышленной
биотехнологии, для получения кормового белка, микробной переработки
отходов и получения биотоплива. Особо следует отметить направления,
связанные с созданием новых симбиотических ассоциаций для повышения
эффективности фиксации атмосферного азота.