Общая биология

Общая биология. Пособие для поступающих в ВУЗы. Составитель: Галкин М. А.
В пособии представлен материал по курсу общей биологии начиная от теории происхождения жизни на земле до учения о биосфере.
Пособие рассчитано на абитуриентов, школьников старших классов, слушателей подготовительных курсов и отделений. Предисловие.
Пособие составлено в соответствии с программой для поступающих в ВУЗы РФ, где биология является общеобразовательным предметом.
Цель данного пособия - помочь абитуриенту подготовиться к вступительным экзаменам. Этим оно отличается от школьного учебника“Общая биология”, который носит познавательный характер. При составлении пособия учитывались прежде всего требования предъявляемые на вступительных экзаменах. Это касается и содержания, и объема материала приведенного в пособии.
Пособие рассчитано на абитуриентов законченное среднее образование или изучающих общую биологию на подготовительных отделениях.
В пособие не включены некоторые разделы традиционно рассматриваемые в курсе “Общая биология”. Это “Строение клетки”, “Деление клетки”, “Фотосинтез”. Материал по этим разделам подробно изложен в пособии для поступающих в ВУЗы составленный Галкиным М. А.
Все замечания и пожелания, касающиеся формы и содержания пособия, будут приняты с благодарностью. Составитель пособия. Введение.
Биология –наука о жизни. Это совокупность научных дисциплин, изучающих живое. Таким образом, объектом исследования биологии является жизнь во всех ее проявлениях. Что же такое жизнь? Полного ответа на этот вопрос до сего времени нет. Из многочисленных определений этого понятия приведем наиболее популярное. Жизнь–особая форма существования и физико-химического состояния белковых тел, характеризуемая зеркальной асимметрией аминокислот и сахаров, обменом веществ, гомеостазом, раздражимостью, самовоспроизведением, системным самоуправлением, приспособляемостью к среде, саморазвитием, перемещением в пространстве, передачей информации, физической и функциональной дискретностью отдельных особей или общественных конгломератов, а также относительной самостоятельностью надорганизменных систем, при общем физико-химическом единстве живого вещества биосферы.
Система биологических дисциплин включает направление исследований по систематическим объектам: микробиология, зоология, ботаника, учение о человеке, и т. п. Наиболее широкие закономерности, раскрывающие суть жизни, ее формы и закономерности развития рассматривает общая биология. Эта область знаний традиционно включает учение о возникновении жизни на Земле, учение о клетке, индивидуальном развитии организмов, молекулярную биологию, дарвинизм ( эволюционное учение ), генетику, экологию, учение о биосфере и учение о человеке. Возникновение жизни на земле.
Проблема возникновения жизни на Земле была и остается главнейшей проблемой наряду с космологией и познанием найти строение материи. Современная наука не располагает прямыми доказательствами того, как и где возникла жизнь. Существуют лишь логические построения и косвенные свидетельства полученные путем модельных экспериментов, и данные в области палеонтологии, геологии, астрономии и т. п. В научной биологии наиболее известны гипотезы возникновения жизни на Земле является теория панспермии С. Аррениуса и теория возникновения жизни на Земле как результат длительного эволюционного развития материи предложенная А. И. Опариным.
Теория панспермии широкое распространение имела в конце 19 начала 20 века. Да и сейчас она имеет много сторонников.
Согласно этой теории живые существа были занесены на Землю из космического пространства. Особенно широкое хождение имели предположения заносе зародышей живых организмов на Землю с метеоритами или космической пылью. До сего времени в метеоритах пытаются обнаружить какие признаки живого. В 1962 году американские ученые, в 1982 году ученые России сообщили об обнаружении в метеоритах остатков организмов. Но вскоре было показано что найденные структурные образования фактически являются минеральными гранулами и лишь по виду напоминают биологические структуры. В 1992 году появились работы американских ученых, где они на основании исследования материала подобранного в Антарктиде, описывают наличие в метеоритах остатков живых существ напоминающих бактерии. Что ждет это открытие покажет время. Но, интерес к теории панспермии не угас до сего времени.
Начало систематической разработки проблемы возникновения жизни на Земле было положено в 20-х годах нашего века. В 1924 году вышла в свет книга А. И. Опарина“Происхождение жизни”и в 1929 году статья Д. Холдейна на это же тему. Но, как позже отмечал сам Холдейн, в его статье вряд ли можно было найти что-либо новое, чего не было у Опарина. Поэтому теория о происхождении жизни на Земле в результате“биологического большого взрыва” смело можно назвать теорией Опарина, а не теорией Опарина-Холдейна. Согласно теории Опарина жизнь возникла на Земле. Этот процесс складывался из следующих этапов: 1) Из неорганических веществ образуются органические вещества; 2) происходит быстрая физико-химическая перестройка первичных органических веществ. Зеркально асимметричные органические предбиологические вещества в условиях активной вулканической деятельности, высокой температуры, радиации, усиленного ультрафиолетового излучения, грозовых размеров быстро . При полимеризации левовращающих аминокислот образовались первичные белки. Одновременно возникли азотистые основания–нуклеотиды; 3) физико-химические процессы способствовали образованию коацерватных капель ( коацерватов )– структур типа геля; 4) образованию полинуклеотидов – ДНК и РНК и включению их в коацерваты; 5) образование “пленки”которая отделила коацерваты от окружающей среды, что привело к возникновению предбиологической системы, которая являлась открытой системой. Имела способность к матричному синтезу белка и разложению.
В последующие годы теория Опарина получила полное подтверждение. Огромное достоинство теории состоит в том, что большая ее часть может быть проверена или логически связана с поддающимися проверке положениями.
Чрезвычайно важным шагом в процессе возникновения жизни был переход неорганических соединений углерода в органические. Данные астрономии показали, что и сейчас повсеместно происходит образование органических веществ совершенно независимо от жизни. Отсюда был сделан вывод, что такой синтез проходил на Земле при образовании земной коры. Начало серии работ по синтезу было положено в 1953 году С. Миллером, который синтезировал ряд аминокислот при пропускании электрического разряда через смесь газов, предположительно составляющих первичную атмосферу ( водород, пары воды, аммиак, метан ). Меняя отдельные составляющие и факторы воздействия различные ученые получили глицин, аскаргиновую кислоту и другие аминокислоты. В 1963 году моделируя условия древней атмосферы ученые получили отдельные полипептиды с молекулярным весом 3000-9000. За последние годы в институте биохимии РАН и в МГУ детально изучен химический состав, физико-химические свойства и механизм образования коацерватных капель. Было показано, что одновременно с общим процессом эволюции предбиологических систем проходило их превращение в более специализированные структуры.
И тут становится ясным, что естественный отбор должен привести в дальнейшем к возникновению клетки– элементарной структурной и функциональной единицы живого организма. Основные признаки живого.
Способность к движению. Признаки наглядно появляющиеся у животных, Многие из которых способны активно передвигаться. У простейших органами передвижения являются жгутики, реснички и пр. У более организованных животных появляются конечности. Для растений также характерна способность к движению. У одноклеточной водоросли хламидомонады есть жгутики. Рассеивание спор, распространение семян, передвижение в пространстве с помощью корневищ все это варианты движения.
Способность расти. Все живое способно увеличиваться в размерах и массе за счет растяжения, деления клеток и т. д.
Питание, дыхание, выделение – процессы посредством которых обеспечивается обмен веществ. Раздражимость – способность реагировать и давать ответные реакции на внешнее воздействие. Размножение и связанное вместе с ним явление изменчивости и наследственности –самый характерный признак живого. Любой живой организм производит себе подобных. Потомки сохраняют признаки родителей и приобретают признаки только им характерные.
Совокупность перечисленных признаков несомненно характеризует живое как систему образующую обменом веществ, раздражимостью и способностью размножаться, Но следует помнить, что понятие живого значительно сложнее ( см, введение ). Уровни организации жизни.
Уровень организации –функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей“системе систем”живого. Обычно выделяют молекулярный ( молекулярно-генетический), клеточный, организменный, популяционно-видовой, биоценотический, биосферный уровни организации.
Элементарной и функциональной единицей жизни является клетка. Клетка обладает почти всеми основными признаками живого, В отличии от так называемых неклеточных организмов ( напр. Вирусов), Которые существуют на молекулярном уровне.
Организм это реальный носитель жизни, характеризующийся всеми ее биосвойствами. Вид это группа сходных по строению и происхождению особей.
Биоценоз это взаимосвязанная совокупность видов, населяющих более или менее однородный участок суши или водоема. Биосфера – это совокупность всех биоценозов Земли. Методы изучения биологии.
Методы современной биологии определяется ее задачами. Одна из основных задач биологии–познание окружающего нас мира живых существ. Методы современной биологии направлены именно на изучение этой проблемы.
Научное исследование обычно начинается с наблюдений. Этот метод изучения биологических объектов использовался с момента начала осмысленного существования человека. Этот метод позволяет создать представление об изучаемом объекте, собрать материл для дальнейшей работы.
Наблюдение было основным методом в описательный период развития биологии. На основе наблюдений выдвигается гипотеза.
Следующие шаги в изучении биологических объектов связаны с экспериментом. Стало основой для перехода биологии от описательной науки к экспериментальной. Эксперимент позволяет проверить результаты наблюдений и получить данные, которые невозможно получить на первом этапе исследования.
Настоящий научный эксперимент должен сопровождаться контрольным экспериментом. Эксперимент должен обязательно быть воспроизводимым. Это позволит получить достоверные данные и обрабатывать данные с помощью ЭВМ.
В последние годы в биологии широко используется метод моделирования. Создание математических моделей явлений и процессов стало возможным с широким внедрением в биологические исследования ЭВМ.
В качестве примера можно привести алгоритм исследования видовой принадлежности растения. На первом этапе исследователь изучает признаки организма. Результаты наблюдения заносятся в специальный журнал. На основе выявления всех доступных признаков выдвигается гипотеза о принадлежности организма к определенному виду. Верность гипотезы определяется экспериментом. Зная, что представители одного вида свободно скрещиваются и дают плодовитое потомство, исследователь выращивает организм из семян взятых у изучаемого индивидуума и скрещивает выращенный организм с эталонным организмом, видовая принадлежность которого устанавливается заранее. Если в результате этого эксперимента получаются семена, из которых развивается жизнеспособный организм, то гипотеза считается подтвержденной. Многообразие органического мира.
Многообразие, а также разнообразие жизни на Земле изучает систематика – важнейший раздел биологии. Отражением разнообразия жизни на Земле являются системы организмов. На Земле обитают представители трех групп организмов: вирусы, прокариоты, эукариоты. Вирусы – организмы, не имеющие клеточного строения. Прокариоты и эукариоты –это организмы основной структурной единицей которых является клетка. Клетки прокариот не имеют оформленного клеточного ядра. У эукариот клетка имеет настоящее ядро, где ядерный материал отделен от цитоплазмы двумембранной оболочкой.
К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Бактерии это одноклеточные, в основной массе гетерозиготные организмы. Сине-зеленые водоросли это одноклеточные, колониальные или многоклеточные организмы со смешанным типом питания. В клетках сине-зеленых есть хлорофил, обеспечивающий автотрофное питание, но сине-зеленые могут поглощать готовые органические вещества из которых они строят свои собственные высокомолекулярные вещества. В пределах эукариот выделяется три царства: грибы, растения, животные. Грибы–это гетеротрофные организмы тело которых представлено мецелием. Особую группу грибов составляют лишайники, где симбионтами грибов являются одноклеточные или сине-зеленые водоросли. Растения – это первично автотрофные организмы. Животные – это гетерозиготные эукариоты.
Живые организмы на Земле существуют в состоянии сообществ – биоценозов. Вирусы.
Само отношение вирусов к организмов является дискуссионным, т. к. они не могут размножаться вне клетки и не имеют клеточного строения. И все таки большинство биологов считают, что вирусы это мельчайшие живые организмы. Первооткрывателем вирусов считается русский ботаник Д. И. Ивановский, но только с изобретением электронного микроскопа стало возможным изучения строения этих загадочных структур. Вирусы устроены очень просто. “Сердцевину” вируса составляет молекула ДНК или РНК, Эту “сердцевину”окружает белковая оболочка. У некоторых вирусов появляется липопротеиновая оболочка, которая возникает из цитоплазматической мембраны клетки– хозяина. Попадая внутрь клетки вирусы приобретают способность к самовоспроизведению. При этом они“выключают”хозяйскую ДНК и используя свою нуклеиновую кислоту, дают команду синтезировать новые копии вируса. Вирусы могут“нападать” на клетки всех групп организмов . Вирусы , которые “нападают” на бактерии получили особое наименование – бактериофаги. Значение вирусов в природе связано с их способностью вызывать различные заболевания. Это и мозаика листьев, грипп, оспа, корь, полиомиелит, свинка и“чума” двадцатого века – СПИД. Способ передачи вирусов осуществляется капельножидким путем, контактным путем, с помощью переносчиков ( блохи, крысы, мыши и т. д. ), через фекалии и пищу. Синдром приобретенного иммунного дефицита ( СПИД ). Вирус СПИДа. СПИД –инфекционное заболевание вызываемое РНК-содержащим вирусом. Вирус СПИДа имеет палочковидную или овальную, или округлую форму. В последнем случае диаметр его достигает 140 нм. Состоит вирус из РНК, фермента-ревартазы, двух типов белков двух типов гликопротеинов и липидов, образующих внешнюю мембрану. Фермент катализирует в пораженной вирусом клетке реакцию синтеза нити ДНК по матрице вирусной РНК. Вирус СПИДа имеет выраженный к Т-лимфоцитам.
Вирус неустойчив к окружающей среде, чувствителен к многим антисептикам. Инфекционная активность вируса снижается в 1000 раз при прогревании при температуре 56С в течении 30 мин.
Болезнь передается половым путем или через кровь. Заражение СПИДом обычно приводит к летальному исходу! Основы цитологии. Основные положения клеточной теории.
Клетка была открыта во второй половине 17 века. Особенно сильно изучение клетки развернулось во второй половине 19 века в связи с созданием клеточной теории. Клеточный уровень исследования сделался ведущим принципом важнейших биологических дисциплин. В биологии оформился новый раздел–цитология. Объектом изучения цитологии являются клетки многоклеточных организмов, а также организмы, тело которых представлено одной клеткой. Цитология изучает строение, химический состав, пути их размножения, адаптивные свойства.
Теоретической базой цитологии является клеточная теория. Клеточная теория была сформулирована в 1838 году Т. Шванном, хотя первые два положения клеточной теории принадлежат М. Шлейдену, который занимался изучением клеток растений. Т. Шванн–известный специалист по строению клеток животных в 1838 году, опираясь на данные работ М. Шлейдена и результаты своих собственных исследований, сделал следующие выводы:
Клетка это наименьшая структурная единица живых организмов. Клетки образуются в результате деятельности живых организмов. Клетки животных и растений имеют больше сходств, чем различий. Клетки многоклеточных организмов связаны между собой структурно и функционально.
Дальнейшее изучение строения и жизнедеятельности позволило узнать о ней много нового. Этому способствовало совершенство микроскопической техники, методов исследования и приход в цитологию многих талантливых исследователей. Было детально изучено строение ядра, проведен цитологический анализ таких важнейших биологических процессов как митоз, мейоз, оплодотворение. Стало известной микроструктура самой клетки. Были открыты и описаны органоиды клетки. Программа цитологических исследований 20 века поставила задачу выяснить и точнее разграничить свойства клетки. Отсюда особое внимание стало уделяться изучению химического состава клетки и механизма поглощения клеткой веществ окружающей средой.
Все эти исследования позволили умножить и расширить положения клеточной теории, основные постулаты которой в настоящее время выглядят следующим образом: Клетка – основная и структурная единица всех живых организмов Клетки образуются только из клеток в результате деления.
Клетки всех организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным физиологическим функциям.
Клетки многоклеточных организмов образуют единый функциональный комплекс. Клетки высших растений и животных образуют функционально связанные группы – ткани; из тканей сформированы органы, которые составляют организм. Особенности строения клеток прокариот и эукариот.
Прокариоты –древнейшие организмы образующие самостоятельное царство. К прокариотам относятся бактерии, сине-зеленые“водоросли” и ряд других мелких групп. Клетки прокариот не обладают четко выраженным ядром. Генетический аппарат представлен . состоит из кольцевидной ДНК. Отсутствуют в клетке митохондрии и аппарат Гольджи.
Эукариоты –организмы имеющие настоящие ядро. К эукариолтам относятся представители царства растений, царства животных, царства грибов.
Клетки эукариот обычно более крупнее клеток прокариот, разделены на отдельные структурные элементы. ДНК связанная с белком образует хромосомы, которые располагаются в ядре, окруженном ядерной оболочкой и заполненном кариоплазмой. Разделение эукариотических клеток на структурные элементы осуществляется с помощью биологических мембран. Клетки эукариот. Строение и функции. К эукариотам относятся растения, животные, грибы.
Строение клеток растений и грибов подробно рассмотрено в разделе ботаника “Пособия для поступающих в ВУЗы” Составленного М. А. Галкиным. В данном пособии мы укажем на отличительные особенности клетки животных, опираясь на одно из положений клеточной теории. “Между клетками растений и животных больше сходств, чем различий”. Клеточной стенки у клеток животных нет. Она представлена голым протопластом. Пограничный слой клетки животных– гликокаликс это верхний слой цитоплазматической мембраны “усиленный”молекулами полисахаридов, которые входят в состав межклеточного вещества, чем в состав клетки. Митохондрии имеют складчатые кристы.
В клетках животных есть клеточный центр, состоящий из двух центриолей. Это говорит о том, что любая клетка животных потенциально способна к делению. Включение в животной клетке представлено в виде зерен и капель ( белки, жиры, углевод гликоген ), конечных продуктов обмена, кристаллов солей, пигментов. В клетках животных могут быть сократительные, пищеварительные, выделительные вакуоли небольших размеров.
В клетках нет пластид, включений в виде крахмальных зерен, зерен, крупных вакуолей заполненных соком. Деление клеток.
Клетка образуется только из клетки в результате деления. Эукариотические клетки делятся по типу митоза или по типу мейоза. Оба эти деления протекают в три стадии:
Деление клетки растений по типу митоза и по типу мейоза подробно описано в разделе“Ботаника” пособия для поступающих в вузы составленного М. А. Галкиным. Здесь мы укажем только особенности деления для клеток животных. Особенности деления у клеток животных связаны с отсутствием у них клеточной стенки. При делении клетки по типу митоза в цитокинезе уже на первом этапе происходит обособление дочерних клеток... У растений дочерние клетки оформляются под защитой клеточной стенки материнской клетки, которая разрушается только после появления у дочерних клеток первичной клеточной стенки. При делении клетки по типу мейоза у животных разделение происходит уже в телофазе 1. У растений в телофазе 1 заканчивается образование двуядерной клетки. Образованию веретена деления в телофазе один предшествует расхождение центриолей к полюсам клетки. От ценриолей начинается образование нитей веретена. У растений нити веретена начинают формироваться от полюсных скоплений микротрубочек. Движение клеток. Органоиды движения.
Живые организмы состоящие из одной клетки часто обладают способностью к активному движению. Механизмы движения, возникшие в процессе эволюции, весьма разнообразны. Основными формами движения являются–амебоидная и с помощью жгутиков. Кроме того, клетки могут передвигаться путем выделения слизи или за счет движения основного вещества цитоплазмы. Амебоидное движение получило свое название от простейшего организма – амебы. Органами движения у амебы являются ложные ножки –псевдоподобии являющиеся выступами цитоплазмы. Образуются они в разных местах поверхности цитоплазмы. Могут исчезать и появляться в другом месте. Движение с помощью жгутиков характерно для многих одноклеточных водорослей ( например хламидомонады), простейших (например эвглена зеленая) и бактерий. Органами движения у этих организмов являются жгутики– цитоплазматические выросты на поверхности цитоплазмы. Химический состав клетки.
Химический состав клетки тесно связан с особенностями строения и функционирования этой элементарной и функциональной единицы живого. Как и морфологическом отношении наиболее общим и универсальным для клеток представителей всех царств является химический состав протопласта. Последний содержит около 80% воды, 10% органических веществ и 1% солей. Ведущую роль в образовании протопласта среди них прежде всего белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы.
По составу химических элементов протопласт чрезвычайно сложен. В нем содержатся вещества как с небольшим молекулярным весом так, так и вещества с крупной молекулой. 80% веса протопласта составляют высоко молекулярные вещества и лишь 30% приходится на низкомолекулярные соединения. В то же время на каждую макромолекулу приходятся сотни, а на каждую крупную макромолекулы тысячи и десятки тысяч молекул.
Если рассматривать содержание в клетке химических элементов, то первое место следует отдать кислороду (65-25%). Далее идут углерод (15-20%), водород (8-10%) и азот (2-3%). Количество остальных элементов, а а их в клетках обнаружено около ста, значительно меньше. Состав химических элементов в клетке зависит как от биологических особенностей организма, так и от места обитания . Неорганические вещества и их роль в жизнедеятельности клетки. К неорганическим веществам клетки относятся вода и соли. Для процессов жизнедеятельности из входящих в состав солей катионов наиболее важны K , Ca , Mg , Fe , Na , NH , из анионов NO , HPO , HPO.
К клетках растений ионы аммония и нитратов восстанавливаются до NH и включаются в синтез аминокислот; У животных аминокислоты идут на построение собственных белков. При отмирании организмов включаются в круговорот веществ в форме свободного азота. Входят в состав белков, аминокислот, нуклеиновых кислот и АТФ. Если фосфоро-фосфаты, находясь в почве, растворяются корневыми выделениями растений и усваиваются. Входят в состав всех мембранных структур, нуклеиновых кислот и АТФ, ферментов, тканей.
Калий содержится во всех клетках в виде ионов К . “Калиевый насос”клетки способствуют проникновению веществ через клеточную мембрану. Активизирует процессы жизнедеятельности клеток, возбуждений и импульсов. Кальций содержится в клетках в виде ионов или кристаллов солей. Входит в состав крови способствует ее свертыванию. Входит в состав костей , раковин, известковых скелетов коралловых полипов.
Магний содержится в виде ионов в клетках растений. Входит в состав хлорофилла. Ионы железа входят в состав гемоглобина, содержащегося в эритроцитах, которые обеспечивают транспорт кислорода.
В процессе транспорта веществ через мембрану участвуют ионы натрия. На первом месте среди веществ , входящих в состав клетки, стоит вода. Она содержится в основном веществе цитоплазме, В клеточном соке, в кариоплазме, в органоидов. Вступает в реакции синтеза, гидролиза и окисления. Является универсальным растворителем, и источником кислорода. Вода обеспечивает тургор, регулирует осмотическое давление. Наконец это среда для физиологических и биохимических процессов происходящих в клетке. С помощью воды обеспечивается транспорт веществ через биологическую мембрану, процесс терморегуляции и прочее.
Вода с другими компонентами – органическими и неорганическими, высокомолекулярными и низкомолекулярными – участвует в образовании структуры протопласта. Органические вещества (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, АТФ), их строение и роль в жизнедеятельности клетки.
Клетка является той элементарной структурой, в которой осуществляются все основные этапы биологического обмена веществ и содержаться все основные химические компоненты живой материи. 80% веса протопласта составляют высокомолекулярные вещества– белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты. Среди основных компонентов протоплазмы ведущее значение принадлежит белку. Макромолекула белка имеет наиболее сложный состав и строение, и характеризуется чрезвычайно богатым проявлением химических и физико-химических свойств. В ней заключено одно из важнейших свойств живой материи– биологическая специфичность. Основным структурным элементом молекулы белка являются аминокислоты. В молекулах большинства аминокислот содержится по одной карбоксильной и аминной группе. Аминокислоты в белке связаны между собой посредством пептидных связей за счет карбоксильных и - аминных групп, то есть белок это полимер, мономером которого являются аминокислоты. Белки живых организмов образованы двадцатью“золотыми” аминокислотами. Совокупность пептидных связей, Объединяющая цепочку аминокислотных остатков, образует пептидную цепь– своеобразный хребет молекул полипептида. В макромолекуле белка различают несколько порядков структуры –первичную, вторичную, третичную. Первичную структуру белка определяет последовательность аминокислотных остатков. Вторичная структура полипептидных цепей представляет сплошную или прерывистую спираль. Пространственная ориентация этих спиралей или совокупность нескольких полипептидов составляют систему более высокого порядка–третичную структуру, характерную для молекул многих белков. Для крупных молекул белка такие структуры являются лишь субъединицами, взаимное пространственное расположение которых составляет четвертичную структуру.
Физиологически активные белки имеют глобулярную структуру типа клубка или цилиндра.
Аминокислотная последовательность и структура определяют свойства белка, а свойства определяют функцию. Существуют белки не растворимые в воде, а есть белки свободно растворимые в воде. Есть белки растворимые только в слабых растворах щелочи или 60-80% спирте. Отличаются и белки по молекулярному весу, а отсюда по размерам полипептидной цепи. Молекула белка под воздействие определенных факторов способна разрываться или раскручиваться. Это явление носит название денатурации. Процесс денатурации обратим, т. е. белок способен менять свои свойства.
Функции белков в клетке разнообразны. Это прежде всего строительные функции –белок входит в состав мембран. Белки выступают в роли катализаторов. Они ускоряют реакции обмена. Клеточные катализаторы называют ферментами. Выполняют белки так же транспортную функцию. Ярким примером является гемоглобин–агент по переносу кислорода. Известна защитная функция белков. Вспомним образование в клетках веществ, которые связывают и обезвреживают вещества способные нанести вред клетке. Хотя и незначительно, но белки выполняют энергетическую функцию. Распадаясь на аминокислоты они выделяют энергию. Около 1% сухого вещества клетки составляют углеводы. Углеводы подразделяют на простые сахара, низкомолекулярные углеводы и высокомолекулярные сахара. В состав всех типов углеводов входят атомы углерода, водорода и кислорода. Простые сахара, или монозы по числу углеродных звеньев в молекуле делятся на пентозы и гептозы. Из низкомолекулярных углеводов в природе наиболее широко распространены сахароза, мальтоза, лактоза. Высокомолекулярные углеводы подразделяются на простые и сложные. К простым относятся полисахариды, молекулы которых состоят из остатков какой- либо одной монозы. Это крахмал, гликоген, Целлюлоза. К сложным относятся пектин, слизи. В состав сложных углеводов кроме моноз, входят продукты их окисления и восстановления.
Углеводы выполняют строительную функцию, составляя основу клеточной стенки. Но главная функция углеводов–энергетическая. При расщеплении сложных углеводов до простых, А простых до углекислого газа и воды выделяется значительное количество энергии. Во всех клетках животных и растений содержатся липиды. К липидам относятся вещества различной химической природы, Но обладающие общими физико-химическими свойствами, а именно: Не растворимостью в воде и хорошей растворимостью в органических растворителях– эфире, бензоле, бензине, хлороформе. По химическому составу и строению липиды подразделяются на фосфолипиды, сульфолипиды, стерины, растворимые в жирах пигменты, жиры и воска. Молекулы липидов богаты гидрофобными радикалами и группами.
Велика строительная функция липидов. Основная масса биологических мембран состоит из липидов. В ходе расщепления жиров освобождается большое количество энергии. К липидам относятся некоторые витамины (А, D). Выполняют липиды защитную функцию у животных. Они откладываются под кожей, создавая слой с низкой теплопроводимостью. У верблюда жир это источник воды. Один килограмм жира окисляясь дает один килограмм воды.
Нуклеиновым кислотам, как и белкам принадлежит ведущая роль в обмене веществ и молекулярной организации живой субстанции. С ними связан синтез белка, рост и деление клетки, Образование клеточных структур, а, следовательно, формообразование и наследственность организма.
Нуклеиновые кислоты содержат три основных структурных элемента: фосфорную кислоту, углевод типа пентозы и азотистые основания; соединяясь они образуют нуклеотиды. Нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды, т. е. продукты полимеризации большого количества нуклеотидов. В нуклеотидах структурные элементы связаны в следующей последовательности: фосфорная кислота– пентоза –азотистое основание. При этом с фосфорной кислотой пентоза связана эфирной связью, с основанием–глюкозидной. Связь между нуклеотидами в нуклеиновой кислоте осуществляется через фосфорную кислоту, свободные радикалы которой обуславливают кислые свойства нуклеиновых кислот.
В природе существует два типа нуклеиновых кислот –рибонуклеинновая и дезоксирибонулеинновая (РНК и ДНК). Они отличаются по углеродному компоненту и набору азотистых оснований.
РНК в качестве углеродного компонента содержит рибозу, ДНК содержит дезоксирибозу.
Азотистые основания нуклеиновых кислот являются производными пурина и пирамидина. К первым относятся аденин и гуанин–обязательные компоненты нуклеиновых кислот. Производными пирамидина являются цитозин, тимин, урацил. Из них только цитозин является обязательным для обеих нуклеиновых кислот. Что касается тимина и урацила, то первый характерен для ДНК, второй–для РНК. В зависимости от наличия азотистого основания нуклеотиды называются адениновый, цитозиловый, гуаниновый, тиминовый, урациловый. Структурное строение нуклеиновых кислот стало известно после величайшего открытия сделанного в 1953 году Уотсоном и Криком.
Молекула ДНК представляет собой две спирально идущие полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси. Эти цепи обращены друг к другу азотистыми основаниями. Последние скрепляют обе цепи на всем протяжении молекулы. В молекуле ДНК возможны только два сочетания: аденин с тимином, и гуанин с цитозином. По ходу спирали в макромолекуле образуется два“желобка” – один малый расположенный между двумя полинуклеотидными цепями, другой –большой представляет проем между витками. Расстояние между парами оснований по оси молекулы ДНК составляет 3, 4 А, В один ход спирали укладывается 10 пар нуклеотидов, соответственно протяженность одного витка равна 3, 4 А. Диаметр поперечного сечения спирали равен 20 А. ДНК у эукариот содержится в ядре клетки, где входит в состав хромосом, и в цитоплазме, где она находится в митохондриях и хлоропластах.
Особым свойством ДНК является ее способность удваиваться –этот процесс саморепродукции определят передачу наследственных свойств от материнской клетки дочерним.
Синтезу ДНК предшествует переход ее структуры от двуцепной к одноцепной. После этого на каждой полинуклеотидной цепи , как на матрице формируется новая полинуклеотидная цепь, нуклеотидная последовательность в которой соответствует исходной, такая последовательность определяется принципом комплиментарности оснований. Против каждого А встает Т, против Ц– Г.
Рибонуклеиновая кислота (РНК) это полимер, мономерами которого являются рибонуклеотиды: адениновый, цитозиновый, гуаниновый, урациловый. В настоящее время различают три вида РНК –структурную, растворимую или транспортную, информационную. Структурная РНК находится главным образом в составе рибосом. Поэтому ее называют рибосомной РНК. Она составляет до 80% всей РНК клетки. Транспортная РНК состоит из 80-80 нуклеотидов. Находится в составе основного вещества цитоплазмы. Составляет примерно 10-15% всей РНК. Играет роль переносчика аминокислот в рибосомы, где осуществляется синтез белка. Информационная РНК весьма не однородна; она может иметь молекулярный вес от 300000 до 2-х и более миллионов и отличается чрезвычайно высокой метаболической активностью. Информационная РНК непрерывно образуется в ядре на ДНК, играющей роль матрицы, и направляется в рибосомы где она участвует в в синтезе белка. В связи с этим информационную РНК называют РНК-посредником. Она составляет 10-5% от общей суммы РНК.
Среди органических веществ клетки особое место занимает аденинтрифосфорная кислота. Она содержит три известных компонента: азотистое основание аденин), углевод (рибоза), и фосфорную кислоту. Особенностью строения АТФ является наличие двух дополнительных фосфатных групп, присоединенных к уже имеющемуся остатку фосфорной кислоты, в результате чего образуются богатые энергией связи. Такие связи называются макроэнеретическими. Одна макроэнергитическая связь в грамм-молекуле вещества заключает в себе до 16000 калорий. Образуется АТФ и АДФ в процессе дыхания за счет энергии, освобождающейся при окислительном распаде углеводов, жиров и пр. Обратный процесс, т. е. переход от АТФ к АДФ, сопровождается выделением энергии, которая непосредственно используется в тех или иных жизненных процессов–в синтезе веществ, в движении основного вещества цитоплазмы, в проведении возбуждений и пр. АТФ является единым и универсальным источником энергоснабжающим источником клетки. Как стало известно в последние годы, АТФ, и АДФ, АМФ являются исходным материалом для образования нуклеиновых кислот. Регуляторные и сигнальные вещества. Белки обладают целым рядом замечательных свойств.
Ферменты. Большинство реакций ассимиляции и диссимиляции в организме идут при участии ферментов–белков являющимися биологическими катализаторами. В настоящее время известно существование около 700 ферментов. Все они простые или сложные белки. Последние состоят из белка и кофермента. Коферменты– это различные физиологически активные вещества или их производные – нуклеотиды, флавины и т. д. Ферменты отличаются чрезвычайно высокой активностью, которая в значительной степени зависит от рН среды. Для ферментов наиболее характерна их специфичность. Каждый фермент способен регулировать, лишь строго определенный тип реакции.
Таким образом, ферменты выполняют функцию ускорителей и регуляторов почти всех биохимических процессов в клетке и в организме. Гормоны.
Гормоны –секреты желез внутренней секреции. Гормоны обеспечивают в клетке синтез определенных ферментов, активизируют или тормозят их работу. Таким образом они ускоряют рост организма и деление клеток, усиливают работу мышц, регулируют всасывание и выделение воды и солей. Гормональная система вместе с нервной системой обеспечивает деятельность организма как единого целого, через специальное действие гормонов Витамины. Их биологическая роль.
Витамины –это органические вещества образующиеся в животном организме или поступающие с пищей в очень незначительных количествах, но абсолютно необходимых для нормального обмена веществ. Недостаток витаминов приводит к заболеванию гипо- и авитаминозам.
В настоящее время известно более 20 витаминов. Это витамины группы В, витамины Е, А, К, С, РР и др.
Биологическая роль витаминов заключается в том, что при их отсутствии или недостатке нарушается в работа определенных ферментов, нарушаются биохимические реакции и нормальная деятельность клеток. Биосинтез белков. Генетический код.
Биосинтез белков, а точнее полипептидных цепей, осуществляется на рибосомах, но это лишь конечный этап сложного процесса.
Информация о структуре полипептидной цепи содержится в ДНК. Отрезок ДНК, несущий информацию о полипептидной цепи это ген. Когда это стало известно, стало ясно, Что последовательность нуклеотидов ДНК должна определять аминокислотную последовательность полипептидной цепи. Эта зависимость между основаниями и аминокислотами известна под названием генетического кода. Как известно молекула ДНК построена из нуклеотидов четырех типов в состав которых входят одно из четырех оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь. С помощью этого четырех буквенного алфавита записаны инструкции для синтеза потенциально бесконечного числа белковых молекул. Если бы одно основание определяло положение одной аминокислоты, то цепь содержала только четыре аминокислоты. Если бы каждая аминокислота кодировалась двумя основаниями, то с помощью такого кода можно было бы зашифровать 16 аминокислот. Только код, состоящий из троек оснований (триплетный код), может обеспечить включение в полипептидную цепь всех 20 аминокислот. В такой код входят 64 разных триплета. В настоящее время генетический код известен для всех 20 аминокислот.
Главные черты генетического кода можно сформулировать следующим образом. Кодом, определяющим включение аминокислоты в полипептидную цепь, служит триплет оснований в полипептидной цепи ДНК.
Код универсален: одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у разных микроорганизмов.
Код является вырожденным: данная аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом. Например аминокислота лейцин кодируется триплетами ГАА, ГАГ, ГАТ, ГАЦ.
Код перекрывающийся: например последовательность нуклеотидов АААЦААТТА считывается только как ААА/ЦАА/ТТА. Следует отметить, что существуют триплеты, которые не кодируют аминокислоту. Функция некоторых таких триплетов установлена. Это стартовые кодоны, сбросовые кодоны и пр. Функции других требуют расшифровки.
Последовательность оснований в одном гене, которая несет информацию о полипептидной цепи, “переписывается в комплиментарную ее последовательность оснований информационной или матричной РНК. Этот процесс называется транскрипцией, Молекула И-РНК образуется в результате связывания друг с другом свободных рибонуклеотидов под действием РНК–лимеразы в соответствии с правилами спаривания оснований ДНК и РНК (А-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г). Синтезированные молекулы И-РНК, несущие генетическую информацию, выходят из ядра и направляются к рибосомам. Здесь происходит процесс названный трансляцией–последовательность триплетов оснований в молекуле И-РНК переводится в специфическую последовательность аминокислот в полипептидной цепи. К концу молекулы ДНК прикрепляется несколько рибосом образующих полисому. Вся эта структура представляет собой последовательно соединенные рибосомы. При этом, на одной молекуле И-РНК, может осуществляться синтез нескольких полипептидных цепей. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц–малой и большой. И-РНК Присоединяется к поверхности малой субъединицы в присутствии ионов магния. При этом два ее первых транслируемых кодона оказываются обращенными к большой субъединице рибосомы. Первый кодон связывает молекулу т_рнк содержащую комплиментарный ему антикодон и несущую первую аминокислоту синтезируемого полипептида. Затем второй антикодон присоединяет комплекс аминокислота-т-РНК, содержащий антикодон комплиментарный этому кодону.
Функция рибосомы заключается в том, чтобы удерживать в нужном положении и-РНК, т-РНК и белковые факторы, участвующие в процессе трансляции, до тех пор пока между соседними аминокислотами не образуется пептидная связь. Как только новая аминокислота присоединилась к растущей полипептидной цепи, рибосома перемещается по нити и-РНК с тем, чтобы поставить на надлежащие место следующий кодон. Молекула т-РНК, которая была связана перед этим с полипептидной цепью, теперь освободившись от аминокислоты, покидает рибосому и возвращается в основное вещество цитоплазмы, чтобы образовать новый комплекс аминокислота-т-РНК. Такое последовательное“считывание” рибосомой заключенного в и-РНК “текста”продолжается до тех пор, пока процесс не доходит до одного из стоп-кодонов. Такими кодонами являются триплеты УАА, УАГ или УГА. На этом этапе полипептидная цепь, первичная структура которой была закодирована на участке ДНК– гене, покидает рибосому и трансляция завершена. После того как полипептидные цепи отделились от рибосомы, они могут приобретать свойственную им вторичную, третичную или четвертичную структуры. В заключении следует отметить, что весь процесс синтеза белка в клетке идет с участием ферментов. Они обеспечивают синтез и-РНК, “захват”аминокислот т-РНК, соединение аминокислот в полипептидную цепь, формирование вторичной, третичной, четвертичной структуры. Именно из-за участия ферментов синтез белка называют биосинтезом. Для обеспечения всех стадий синтеза белка , используется энергия высвобождающаяся при расщеплении АТФ.
Регуляция транскрипции и трансляции (синтеза белков) у бактерий и высших организмов.
Каждая клетка содержит полный набор молекул ДНК. С информацией о строении всех полипептидных цепей, какие только могут быть синтезированы в данном организме. Однако в определенной клетке реализуется только часть этой информации, Как же осуществляется регуляция этого процесса?
В настоящее время выяснены только отдельные механизмы синтеза белков. Большинство белков-ферментов образуется только в присутствии веществ-субстратов, на которые они действуют. Строение белка-фермента закодировано в соответствующем гене (структурный ген). Рядом со структурным геном находится другой ген-оператор. Кроме того в клетке присутствует особое вещество–репрессор, способное взаимодействовать как с геном-оператором, так и с веществом-субстратом. Синтез репрессора регулируется геном-регулятором. Присоединившись к гену-оператору, репрессор препятствует нормальному функционированию соседнего с ним структурного гена. Однако, соединившись с субстратом, репрессор утрачивает способность соединяться с геном-оператором и и препятствовать синтезу и-РНК. Образованием самих репрессоров управляют особые гены-регуляторы, функционирование которых управляется репрессорами второго порядка. Вот почему не все , а только специфические клетки реагируют на данный субстрат синтезом соответствующего фермента.
На этом, однако, иерархия репрессорных механизмов не прерывается имеются репрессоры и более высоких порядков, что говорит об удивительной сложности связанного с запуском гена в клетке.
Считывание заключенного в и-РНК “текста” прекращается когда этот процесс доходит до стоп-кодона. Автотрофные (аутотрофные) и гетеротрофные организмы.
Автотрофные организмы синтезируют из неорганических веществ органические с использованием энергии Солнца или энергии, освобождающейся при химических реакциях. Первые называются гелиотрофами, вторые–хемотрофами. К автотрофным организмам относятся растения и некоторые бактерии. Гетеротрофные организмы используют вещества производимые другими видами. К гетеротрофам относятся все животные, паразитические растения, большинство бактерий, грибы.
Различают два типа гетеротрофного питания: сапрофитное –питание органическими веществами, образующимися при разложении тел организмов; паразитное– питание органическими вест вами вырабатываемыми живыми организмами. В природе встречается и смешанный тип питания, который характерен для некоторых бактерий, водорослей и простейших. Такие организмы органические вещества своего тела могут синтезировать из готовых органических веществ и из неорганических. Объем веществ в клетке.
Объем веществ это процесс последовательного потребления, превращения, использования , накопления потери веществ и энергии позволяющий клетке самосохраняться, расти, развиваться и размножаться. Обмен веществ состоит из непрерывно протекающих процессов ассимиляции и диссимиляции. Пластический обмен в клетке.
Пластический обмен в клетке это совокупность реакций ассимиляции, т. е. превращение определенных веществ внутри клетки с момента их поступления до образования конечных продуктов–белков, глюкозы, жиров и пр. Для каждой группы живых организмов характерен особый, генетически закрепленный тип пластического обмена.
Пластический обмен у животных. Животные являются гетеротрофными организмами, т. е. они питаются пищей содержащей готовые органические вещества. В кишечном тракте или кишечной полости они расщепляются: белки до аминокислот, углеводы до моноз, жиры до жирных кислот и глицерина. Продукты расщепления проникают в кровь и непосредственно в клетки тела. В первом случае продукты расщепления опять таки оказываются в клетках организма. В клетках происходит синтез веществ характерный уже для данной клетки, т. е. формируется специфический набор веществ. Из реакций пластического обмена простейшими являются реакции обеспечивающие синтез белков. Синтез белка происходит на рибосомах, согласно информации о структуре белка содержащийся в ДНК, из аминокислот поступивших в клетку. Синтез ди-, полисахаридов идет из моноз в аппарате Гольджи. Из глицерина и жирных кислот синтезируются жиры. Все реакции синтеза идут с участием ферментов и нуждаются в затрате энергии, энергию для реакций ассимиляции дает АТФ.
Пластический обмен в клетках растений имеет много общего с пластическим обменом в клетках животных, но обладает определенной специфичной связанной со способом питания растений. Растения это аутотрофные организмы. Растительные клетки, содержащие хлоропласты, способны синтезировать органические вещества из простых неорганических соединений с использованием энергии света. Этот процесс известный под названием фотосинтеза позволяет растениям с участием хлорофила из шести молекул углекислого газа и шести молекул воды получать одну молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода. В дальнейшем преобразование глюкозы идет по известному нам пути.
Метаболиты возникающие у растений в процессе обмена веществ дают начало составным элементам белков– аминокислотам и жиров –глицерину и жирным кислотам. Синтез белка у растений идет как и животных на рибосомах, а синтез жиров на цитоплазме. Все реакции пластического обмена у растений идут с участием ферментов и АТФ. В результате пластического обмена образуются вещества обеспечивающие рост и развитие клетки. Энергетический обмен в клетке и его сущность.
Совокупность реакций диссимиляции, сопровождающихся выделением энергии, называется энергетическим обменом. Наиболее энергетическими веществами являются белки, жиры и углеводы.
Энергетический обмен начинается с изготовительного этапа, когда белки распадаются на аминокислоты, жиры на глицерин и жирные кислоты, полисахариды на моносахариды. Образующаяся энергия на этом этапе незначительна и рассеивается в виде тепла. Из образовавшихся веществ основным поставщиком является энергии глюкоза. Расщепление глюкозы в клетке, в результате которого происходит синтез АТФ , происходит в две стадии. Все начинается с бескислородного расщепления– гликолиза. Вторую стадию называют кислородным расщеплением. Гликолизом называют последовательность реакций, в результате которых одна молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты. Эти реакции протекают в основном веществе цитоплазмы и не требуют присутствия кислорода. Процесс происходит в два этапа. На первом этапе происходит превращение глюкозы в фруктозо–1, 6, -бифосфат, а на втором - расщепление последнего на два трехуглеродного сахара, которые позже превращаются в пировиноградную кислоту. При этом на первом этапе в реакциях фосфорилирования потребляются две молекулы АТФ. Таким образом чистый выход АТФ при гликолизе составляет две молекулы АТФ. Кроме того, при гликолизе освобождается четыре атома водорода... Суммарную реакцию гликолиза можно записать так: CHO 2CHO + 4H + 2 АТФ
В дальнейшем при наличии кислорода пировиноградная кислота переходит в митохондрии для полного окисления до СО и воды ( аэробное дыхание ). Если кислорода нет, то она праевращается либо в этанол, либо в молочную кислоту (анаэробное дыхание).
Кислородное расщепление (аэробное дыхание) происходит в митохондриях, где под действием ферментов пировиноградная кислота вступает в реакцию с водой и полностью распадается с образованием углекислого газа и атомов водорода. Углекислый газ удаляется из клетки. Атомы водорода попадают в мембрану митохондрий, где в результате ферментативного процесса окисляются. Электроны и катионы водорода с помощью молекул-переносчиков Транспортируются на противоположные стороны мембраны: электроны на внутреннюю, протоны на наружную. Электроны соединяются с кислородом. В результате этих перестроек мембрана снаружи заряжается положительно, а изнутри отрицательно. При достижении критического уровня разности потенциалов на мембране положительно заряженные частицы проталкиваются через канал в молекуле фермента встроенного в мембрану на внутреннюю сторону мембраны, где соединяясь с кислородом образуют воду. Процесс кислородного дыхания можно представить в виде следующего уровня: 2СНО + 6О + 36АДФ + 36НРО 36АТФ + 6СО + 42НО.
А суммарное уравнение гликолиза и кислородного процесса выглядит так: СНО + 6О + 38АДФ + 38НРО 38АТФ + 6СО + 44НО
Таким образом, расщепление в клетке одной молекулы глюкозы до углекислого газа и воды обеспечивает синтез 38 молекул АТФ.
Значит в процессе энергетического обмена образуется АТФ – универсальный источник энергии в клетке. Хемосинтез.
Каждый организм для поддержания жизни и осуществления процессов, совокупность которых составляет обмен веществ, нуждается в постоянном притоке энергии. Процесс образования некоторыми микроорганизмами органических веществ, из углекислого газа за счет энергии, получаемой при окислении неорганических соединений (аммиака, водорода, соединений серы, закисного железа) называется хемосинтезом.
В зависимости от минеральных соединений, в результате окисления которых микроорганизмы, а это в основном бактерии, способны получать энергию хемоавтотрофы делятся на нитрифицирующие, водородные, серобактерии, железобактерии.
Нитрофицирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты. Этот процесс идет в две фазы. Сначала идет окисление аммиака до азотной кислоты: 2NH + 3O = 2HNO + 2HO + 660 кДж. Затем азотистая кислота превращается в азотную: 2HNO + O = 2HNO + 158 кДж.
В сумме выделяется 818 кДж , которые используются для утилизации углекислого газа.
У железобактерий окисление двухвалентного железа происходит согласно уравнению Поскольку реакция сопровождается малым выходом энергии (46, 2*10 Дж/г окисленного железа), то для поддержания роста бактериям приходится окислять весма большое количество железа.
При окислении одной молекулы сероводорода выделяется – 17, 2*10 Дж. , одной молекулы серы – 49, 8*10 Дж. , а одной молекулы - 88, 6*10 Дж. Процесс хемосинтеза был открыт в 1887 году С. Н. Виноградским. Это открытие не только пролило свет на особенности обмена веществ у бактерий, но и позволило определить значимость бактерий–хемоавтотрофоф. Особенно это касается азотфиксирующих бактерий, которые недоступный растениям азот превращают в аммиак, чем способствуют повышению плодородия почвы. Стал понятен и процесс участия бактерий в круговороте веществ в природе. Размножение организмов. Формы размножения организмов.
Способность размножаться, т. е. производить новое поколение того же вида, одна из основных особенностей живых организмов.
Существует два основных типа размножения – бесполое и половое. Бесполое размножение.
При бесполом размножении потомки происходят от одного организма. Идентичное потомство происходящее от оной родительской особи, называется клоном. Члены одного клона могут быть генетически различными только в случае возникновения случайных мутаций. Бесполое размножение не встречается только у высших животных. Однако известно, что клонирование было успешно проведено для некоторых видов и высших животных– лягушек, овец, коров.
В научной литературе выделяют несколько форм бесполого размножения. Деление. Делением размножаются одноклеточные организмы: каждая особь делиться на две или большее число дочерних клеток, идентичной родительской клетке. Так размножаются бактерии, амеба, эвглена, хламидомонада и др.
Образование спор. Спора –это одноклеточная репродуктивная структура. Образование спор характерно для всех растений и грибов.
Почкование. Почкованием называют форму бесполого размножения, при которой новая особь образуется в виде выроста на теле родительской особи, а затем отделяется от не и превращается в самостоятельный организм. Почкование встречается у кишечнополостных и у дрожжей.
Размножение фрагментами. Фрагментацией называют разделение особи на несколько частей, которая растет и образует новую особь. Так размножается спирогира, лишайники и некоторые виды червей.
Вегетативное размножение. Это форма бесполого размножения, при которой от растения отделяется относительно большая, обычно дифференцированная, часть и развивается в самостоятельное растение. Это размножение луковицами, клубнями, корневищами и пр. Вегетативное размножение подробно описано в разделе“Ботаника”. (Ботаника. Пособие для поступающих в вузы. Составитель М. А. Галкин). Половое размножение.
При половом размножении потомство получается в результате полового размножения –слияния генетического материала гаплоидных ядер. Ядра находятся в специализированных половых клетках– гаметах. Гаметы гаплоидны –они содержат один набор хромосом, полученный в результате мейоза; они служат связующим звеном между данным поколением и следующим. Гаметы могут быть одинаковыми по размерам и форме, с органами передвижения–жгутиками или без них, но чаще мужские гаметы отличаются от женских. Женские гаметы–яйцеклетки обычно крупнее мужских, имеют округлую форму и обычно не имеют локомоторных органов. У яйцеклеток четко выделяются также элементы протопласта как и ядро. В основном веществе цитоплазмы накапливается большое количество питательных веществ. Мужские гаметы имеют значительно упрощенное строение. Они бывают подвижными, т. е. имеют жгутики. Это сперматозоиды. Бывают они и без жгутиков это спермии.
Половое размножение имеет громадное биологическое значение. Во время мейоза, когда образуются гаметы, В результате случайного расхождения хромосом и обмена генетическим материалом между гомологичными хромосомами возникают новые комбинации генов, попавших в одну гамету, что повышает генетическое разнообразие.
При оплодотворении гаметы сливаются, образуя диплоидную зиготу –клетку содержащую по одному хромосомному набору от каждой гаметы. Это объединение двух наборов хромосом представляет собой генетическую основу внутривидовой изменчивости. Партеногенез.
Одной из форм полового размножения является партеногенез –при котором развитие зародыша происходит из неоплодотворенной яйцеклетки. Партеногенез распространен среди насекомых (тли, пчелы), разнообразных коловраток, простейших, как исключение встречается у некоторых ящериц. Существует два типа партеногенеза –гаплоидный и диплоидный. У муравьев в результате гаплоидного партеногенеза в в пределах сообщества, возникают различные касты организмов–солдаты, уборщики и пр. У пчел из неоплодотворенной яйцеклетки появляются трутни, у которых сперматозоиды образуются митозом. У тлей происходит диплоидный партеногенез. У них в период образования клеток в анафазе– не расходяться гомологичные хромосомы – и сама яйцеклетка оказывается диплоидной при трех “стерильных”полярных тельцах. У растений партеногенез довольно типичное явление. Здесь он носит название апомиксиса. В результате“стимуляции”в яйцеклетке происходит удвоение хромосом. Из диплоидной клетки развивается нормальный зародыш. Систематика растений.
Систематика изучает разнообразие растений. Объектом изучения систематики являются систематические категории. Основными систематическими категориями являются: вид, род, семейство, класс, отдел, царство.
Вид –это совокупность популяций особей, способных в природных условиях скрещиваться и образовывать плодовитое потомство. Род– это совокупность близкородственных видов. Семейство –это совокупность близкородственных родов. Класс объединяет близкородственные семейства, отдел–близкородственные классы. В качестве царства выступают в данном случае растения.
Научные названия всех систематических категорий приводятся на латинском языке. Названия систематических категорий выше вида состоят из одного слова. Для видов с 1753 года благодаря К. Линнею приняты бинарные названия. Первое слово обозначает видовую принадлежность, второе является видовым эпитетом. Название систематических категорий на русском языке редко являются переводом с латинского, чаше это оригинальные названия родившиеся в народе. Образование половых клеток у человека. Строение половых клеток человека. Оплодотворение у человека. Биологическое значение оплодотворения. Сперматозоиды –мужские половые клетки образуются в результате ряда последовательных клеточных делений–сперматогенеза, за которым следует сложный процесс дифферинцировки, называемый спермиогенезом.
Сначала деление клеток зачатного эпителия, который находится в семенных канальцах, дает начало сперматогониям, которые увеличиваются в размерах и становятся сперматоцитами первого порядка. Они в результате первого деления мейоза образуют диплоидные сперматоциты второго порядка, после второго деления мейоза они дают начало сперматозоидам. Взрослый сперматозоид состоит из головки, промежуточного отдела и жгутика (хвостика). Головка состоит из акросомы и ядра окруженных мембраной. Шейка имеет центриоль. В промежуточном отделе расположены митохондрии.
Образование яйцеклетки у человека –оогенез протекает в несколько стадий. На первом этапе в результате метотического деления из клеток зачаточного эпителия образуются оогонии. Оогонии делятся по типу митоза и дают начало ооцитам первого порядка. Из ооцитов первого порядка в результате митотического деления образуются яйцеклетки и полярные тельца.
Оплодотворение у человека внутреннее. В результате проникновения сперматозоида в яйцеклетку происходит слияние ядер половых клеток. Образуется зигота. В результате оплодотворения восстанавливается диплоидный набор хромосом, образуется новый организм, несущий в себе признаки матери и отца. При образовании половых клеток происходит перекомбинация генов, поэтому новый организм соединяет в себе лучшие признаки родителей. Индивидуальное развитие организма – онтогенез.
Онтогенез это период развития организма от первого деления зиготы до естественной смерти. Развитие зародыша (на примере животных).
Независимо от того, где происходит развитие зародыша, начало его развития связано с первым митотическим делением. Следующий за делением ядра цитокинез приводит к образованию двух диплоидных дочерних клеток, которые получили название бластомеров. Бластомеры продолжают делиться по типу митоза причем продольное деление чередуется с поперечным. Деления бластомер называют дроблением, т. к. в период этого процесса не происходит рост клеток, а образующийся комок клеток–морула по объему равен двум первичным бластомерам. Дальнейшее развитие зародыша связано с образованием бластулы. При этом бластомеры образуют однослойную стенку вокруг центральной полости заполненной жидкостью. Клетки стенки бластулы на одном из участков начинают делиться и образуют внутреннюю клеточную массу. В дальнейшем из этой клеточной массы формируется внутренний слой стенки, таким образом обособляется эктодерма– наружный слой и эндодерма –внутренний слой клеток. Это двуслойную стадию развития называют гаструлой. На более поздней стадии развития зародыша образуется мезодерма–третий зародышевый листок. Эктодерма, эндодерма и мезодерма дают начало всем тканям развивающегося эмбриона. Клетки эктодермы дают начало первой пластинке, первому гребню и эктобласту. По краю первой пластинки возникают направленные вверх складки, а в центральной части нервный желобок, который углубляется и превращается в нервную трубку–зачаток центральной нервной системы. Из передней части нервной трубки формируется головной мозг и зачатки глаз. В передней части зародыша из эктобласта формируются зачатки органов слуха, обоняния. Эпибласт дает начало эпидермису, волосам, перьям, чешуе. Нервный гребень трансформируется в зачатки нервного вещества позвоночника, челюстей. Из эктодермы формируется первичный кишечник, внутренний эпителий, зачатки желез и . Мезодерма дает начало хорде, сомитам, мезехиме и нефротомам. Из сомитов развиваются зачатки дермы, мышц стенок тела, позвонков, скелетных мышц. Из мезенхимы зачатки сердца, гладкой мускулатуры, кровеносных сосудов и самой крови. Нефротомы дают начало матке, коре надпочечников, мочеточникам и пр.
Во время развития производных зародышевых листков изменяется вид зародыша. Он приобретает определенную форму, достигает определенных размеров. Развитие зародыша заканчивается вылуплением из яйца или рождением детеныша. Постэмбриональное развитие.
С момента вылупления зародыша из яйца или рождения детеныша начинается пост эмбриональное развитие. Оно может быть прямым, когда родившийся организм сходен по строению со взрослой особью, и непрямым, когда эмбриональное развитие приводит к развитию личинки, которая от взрослой особи имеет морфологические, анатомические и физиологические различия. Прямое развитие характерно для большинства позвоночных животных, к которым относятся пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие. Постэмбриональное развитие о этих организмов связано с простым ростом, которые ведет уже к качественным изменениям– развитию. К животным с непрямым развитием относятся кишечнополостные, сосальщики, ленточные черви, ракообразные, насекомые, моллюски, иглокожие, оболочники, амфибии.
Непрямое развитие еще называют развитием с метаморфозом. Термином “метаморфоз”обозначают быстрые изменения, происходящие от личиночной стадии к взрослой форме. Личинки обычно служат стадией предназначенной для расселения, т. е. обеспечивают распространение вида.
Личинки отличаются от взрослой особи и по своему место обитанию, по биологии питания, способу локомоции и особенностям поведения; благодаря этому вид может использовать на протяжении онтогенеза возможности, представленные двумя экологическими типами, что повышает его шансы на выживание. Многие виды, например стрекозы, питаются и растут только на личиночной стадии. Личинки грают роль как бы переходного этапа, во время которого вид может приспособляться к новым условиям обитания. Кроме того, личинки обладают иногда физиологической выносливостью, благодаря которой они в неблагоприятных условиях выступают в роли покоящейся стадии. Например майский жук перезимовывает в почве в форме личинки. Но в большинстве случаев у насекомых это происходит на другом этапе метаморфоза– на стадии куколки.
И наконец, личиночные стадии обладают иногда тем преимуществом, что на этих стадиях возможно увеличение числа личинок. Как это происходит у некоторых плоских червей.
Следует отметить, что во многих случаях личинки достигают весьма высокой организации, как, например личинки насекомых, у которых недоразвитыми остаются только репродуктивные органы.
Таким образом, структурные и функциональные изменения, происходящие во время метаморфоза, подготавливают организм к взрослой жизни в новом местообитании. Биологические часы. Саморегуляция. Влияние различных факторов на развитие организма. Приспособление организма к изменяющимся условиям, Анабиоз. На всех стадиях развития –стадия зародыша, стадия постэмбрионального развития, организм подвергается влиянию факторов внешней среды– температуры, влажности, света, пищевых ресурсов и др. Особенно подвержен влиянию факторов внешней среды организм на стадии зародыша и на стадии постэмбрионального развития. На стадии зародыша, когда организм развивается в теле матери и связан с ней кровеносной системой, поведение матери является решающим в его нормальном развитии. Курит мать, “курит” и зародыш. Мать употребляет алкоголь, “употребляет алкоголь”и зародыш. Особенно подвержен влиянию зародыш в 1-3 месяце своего развития. Нормальный образ жизни в постэмбриональное развитие позволяет организму существовать нормально вплоть до естественной смерти. Организм генотипически адаптирован к существованию в определенном интервале температур, влажности, солености среды, освещенности. Ему требуется определенный рацион питания. Моржизм, пешие переходы через Антарктику, полеты в космос, голодание, обжорство непременно приводят к развитию ряда заболеваний. Здоровый образ жизни – залог долголетия.
Все биологические системы характеризуются большей или меньшей способностью к саморегуляции. Саморегуляция–состояние динамического постоянства природной системы направлена на максимальное ограничение воздействий внешней и внутренней среды, сохраненья относительного постоянства структуры и функций организма.
Кроме того, влияние различных факторов на организм сглаживается в результате формирования у организмов сложной системы физиологических реакций на временные– сезонные и в особенности на кратковременные –суточные изменения в факторах внешней среды, получившие отображение в биологических часах. Примером может служить четкое сохранение цветения у растений в определенное время суток.
Особым видом приспособления организма к изменяющимся условиям является анабиоз –временное состояние организма, при котором жизненные процессы настолько замедленны что практически отсутствуют все видимые проявления жизни. Возможность впадать в анабиоз способствует выживанию организмов в резко неблагоприятных условиях. Анабиоз распространен у грибов, микроорганизмов, растений, животных. При наступлении благоприятных условий организмы впавшие в анабиоз возвращаются к активной жизни. Вспомним высохших коловраток, цисты, споры и пр.
Все приспособления организмов к изменяющимся условиям являются продуктом деятельности естественного отбора. Естественный отбор определил и амплитуду действия факторов среды, которая позволяет организму нормально существовать. Эволюционный процесс и его закономерности. Предпосылки возникновения эволюционной теории Ч. Дарвина.
Появлению эволюционной теории Ч. Дарвина, изложенной им в книге “Происхождение видов”, предшествовало длительное развитие биологии, ее функциональных и прикладных дисциплин. Еще за долго до Ч. Дарвина предпринимались попытки объяснить очевидное разнообразие организмов, Выдвигались различные эволюционные гипотезы, которые могли бы объяснить сходство между животными организмами. Здесь следует упомянуть Аристотеля, который еще в 4 веке до н. э. Сформулировал теорию непрерывного и постепенного развития живого из неживой материи, создал представление о лестнице природы. В конце 18 века Джон Рей создал концепцию вида. А в 1771-78 гг. К. Линней уже предложил систему видов растений. Своему дальнейшему развитию биология обязана именно этому ученому. Работы К. Линнея.
В период расцвета деятельности К. Линнея, который попадает на середину 18 века в биологии господствовало метафизическое представление о природе, основанное на неизменчивости и изначальной целесообразности.
К. Линней имел под рукой громадные коллекции растений и приступил к их систематизации. Опираясь на учение Д. Рея о виде он начал группировать растения в объеме этой категории. В этот период деятельности К. Линней создает язык ботаники: определяет сущность признака и группирует признаки в свойства, создавая сквозные диагнозы - описание видов. К. Линней узаконил бинарную номенклатуру вида. Каждый вид стал именоваться двумя словами на латинском языке. Первое обозначает родовую принадлежность, второе является видовым эпитетом. Описания видов выполнялись также на латинском языке. Это позволило сделать доступными все описания для ученных всех стран, т. к. латинский язык изучался во всех университетах. Выдающимся достижением К. Линнея стало создание системы растений и разработка систематических категорий. На основе строения репродуктивных органов К. Линней объединил все известные растения в классы. Первые 12 классов выделены по количеству тычинок: класс1– однотычиночные, класс 2 –двуиычиночные и т. д. В 14 класс были включены растения не имеющие цветков. Эти растения он назвал тайнобрачными. Классы К. Линней поделил на семейства, основываясь на строении цветка и других органов. От к. Линнея идут семейства как сложноцветные, зонтичные, крестоцветные и др. Семейства К. Линней поделил на роды. Род К. Линней считал реально существующей категорией созданной по отдельности творцом. Виды он считал вариантами родов, развившимся из исходного предка. Таким образом на низших уровнях К. Линней признавал наличие эволюционного процесса, что остается незамеченным в настоящее время некоторыми авторами учебников и научно-популярных публикаций.
Значение трудов К. Линнея огромно: Он узаконил бинарную номенклатуру, ввел стандартные описания видов, предложил систему таксономических единиц: вид, род, семейство, класс, отряд. И главное создал системы растений и животных по своей по своей научно обоснованности превосходящие все существующие до него системы. Их называют искусственными, из-за малого количества используемых признаков, но именно системы К. Линнея позволили говорить о многообразии видов и их сходстве. Простота систем привлекла в биологию многих исследователей, дала стимул к описанию новых видов, вывела биологию на новую ступень развития. Биология начала объяснять живое, но не только его описывать. Теория эволюции Ж. Б. Ламарка.
В 1809 году французский биолог Ж. Б. Ламарк издает книгу “Философия зоологии”, где излагает механизм эволюции органического мира. В основу эволюционной теории Ламарка были положены два закона, которые известны как закон упражнения и неупражнения органов и закон наследования приобретенных признаков. У Ламарка эти законы звучат так. Первый закон. “Во всяком животном, не достигшем предела своего развития, более частое и неослабляющее употребление какого-нибудь органа укрепляет этот орган, развивает его, увеличивает и сообщает ему силу, соразмерно с длительностью самого употребления, тогда как постоянное неупотребление органа неприметно ослабляет его, приводит в упадок, последовательно сокращает его способности и наконец вызывает его исчезновение. ” Второй закон. “Все, что природа заставила приобрести или утратить она сохраняет путем размножения на других особях. ”Таким образом, суть теории Ламарка заключается в том, что под действием окружающей среды у организмов возникают изменения, которые передаются по наследству. Так как изменения носят индивидуальный характер, то процесс эволюции приводит к разнообразию организмов. Классическим примером механизма эволюции по Ламарку является возникновение длинной шеи у жирафа. Многие поколения его короткошеих предков питались листьями деревьев, за которыми им приходилось тянуться все выше и выше. Незначительное удлинение шеи происходившее в каждом поколении, передавалось следующему поколению, пока эта часть тела не достигла своей нынешней длины.
Теория Ламарка сыграла значительную роль в становлении взглядов Ч. Дарвина. Фактически связку“среда – изменчивость – наследственность”Дарвин взял у Ламарка. Ламарк нашел причину изменчивости. Такой причиной является окружающая среда. Пытался он объединить и передачу изменений потомству, т. е. механизмы наследственности. Его теория“непрерывности зародышевой плазмы” существовала до конца 19 века. При своем громадном значении и простоте восприятия теория эволюции Ламарка не получила широкого признания. В чем же причина этого. Ламарк высказал предположение, что человек произошел от каких-то четвероруких. За это он под со стороны Наполеона, который приказал уничтожить его книгу. Ламарк отрицал реальное существование вида, чем настроил против себя поклонников Линнея, к которым относились большинство биологов начала 19 века. И наконец его главная методологическая ошибка: “все приобретенные признаки наследуются”. Проверка этого положения не давала 100% подтверждения, а отсюда вся теория подвергалась сомнению. И все-таки значение теории Ж. Б. Ламарка огромно. Именно у него появился термин -“факторы эволюции”. И эти факторы имели материальную основу. Несомненный отпечаток на мировоззрение Ч. Дарвина оказали труды Ж. Кювье о ископаемых остатках и Ч. Лайеля продемонстрировавшего прогрессивные изменения ископаемых остатков.
Путешествуя вокруг света на корабле “Билль”, Ч. Дарвин сам смог увидеть и оценить разнообразие растений и животных обитающих на разных континентах в различных условиях. А живя в Англии–стране с прекрасно развитым сельским хозяйством, стране, которая свозила на остров все, что было в мире, Ч. Дарвин мог видеть результаты“эволюционной” деятельности человека. И конечно самой главной предпосылкой возникновения эволюционной теории Ч. Дарвина стал сам Ч. Дарвин, гений которого сумел объять, проанализировать весь огромный материал и создать теорию заложившую основы дарвинизма– учение об эволюции живых организмов. Основные положения эволюционной теории Ч. Дарвина.
Теория эволюции путем естественного отбора была сформулирована Ч. Дарвиным в 1839 году. В полном объеме эволюционные взгляды Ч. Дарвина изложены в книге“Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь”.
Уже само название книги говорит о том , что Дарвин не ставил перед собой цель доказать существование эволюции, на наличие которой еще указывал Конфуций. В период создания книги в существовании эволюции уже никто не сомневался. Основная заслуга Ч. Дарвина заключается в том, что он объяснил как эволюция может происходить.
Путешествие на корабле “Бигль”позволило Дарвину собрать множество данных об изменчивости организмов, которые убедили его в том, что виды нельзя считать неизменными. Возвратившись в Англию Ч. Дарвин занялся практикой разведения голубей и других домашних животных, что привело его к концепции искусственного отбора как метода выведения пород домашних животных и сортов культурных растений. Отбирая нужные ему уклонения, человек доводя эти уклонения до нужных требований создавал ему нужные породы и сорта.
Движущими силами этого процесса по Ч. Дарвину явились наследственная изменчивость и производимый человеком отбор.
Однако Ч. Дарвину надо было решить проблему действия отбора в природных условиях. На механизм действия отбора Ч. Дарвина подтолкнули идеи изложенные в 1778 году Т, Мальтусом в труде“Трактат о народонаселении. ”Мальтус ярко описал ситуацию к которой мог бы привести рост населения, если бы он ничем не сдерживался. Дарвин перенес рассуждения Мальтуса на другие организмы и обратил внимание на такие факторы: несмотря на высокий репродуктивный потенциал численность популяции остается постоянной. Сопоставляя огромное количество сведений, он пришел к выводу, что в условиях жесткой конкуренции между членами популяции любые изменения, благоприятные в данных условиях, повышали бы способность особи размножаться и оставлять после себя плодовитое потомство, а неблагоприятные изменения, очевидно, невыгодны, и у обладающих ими организмов шансы на успешное размножение понижаются. Все это послужило основой для определения движущих сил (фактров0 эволюции, которыми по Дарвину является изменчивость, наследственность , борьба за существование , естественный отбор.
В сущности , основной смысл эволюционной теории Ч. Дарвина заключается в том , что эволюция происходит на основе возникновения наследуемых изменений, взвешивания их борьбой за существование и отбора изменений, позволяющих организмам победить в интенсивной конкурентной борьбе. Результатом эволюции по Ч. Дарвину является возникновение новых видов , что приводит к разнообразию флоры и фауны. Движущиеся силы (факторы) эволюции.
Движущимися силами в эволюции являются: наследственность, изменчивость, борьба за существование, естественный отбор. Наследственность.
Наследственность- свойство всех живых организмов сохранять и передавать признаки и свойства от предков к потомству. Во времена Ч. Дарвина природа этого явления была не известна. Дарвин, как и , предполагал наличие наследственных факторов. Критика этих высказываний со стороны оппонентов заставила Дарвина отказаться от взглядов на место расположения факторов, но сама идея наличия материальных факторов наследственности пронизывает все его учение. Суть явления стала понятна после разработки Т. Морганом хромосомной теории. Когда же была расшифрована и понята структура гена, механизм наследственности стал совсем ясным. Основан он на следующих факторах: признаки организма (фенотип) определяются генотипом и средой (норма реакции); признаки организма определяются набором белков, которые формируются из полипептидных цепей, синтезирующихся на рибосомах, информация о структуре синтезируемой полипептидной цепи содержится на и-РНК, и-РНК получает эту информацию в период матричного синтеза на участке ДНК, который является геном; гены передаются от родителей к детям и являются материальной основой наследственности. В интеркинезе происходит удвоение ДНК, а отсюда и удвоение генов. В период образование половых клеток происходит редукция числа хромосом, а при оплодотворении в зиготе объединяются женские и мужские хромосомы. Формирование зародыша и организма происходит под влиянием генов как материнского и отцовского организма. Наследование признаков происходит в соответствии с законами наследственности Г. Менделя или по принципу промежуточного характера наследования признаков. Наследуются при этом как дискретные, так и мутированные гены.
Таким образом, сама наследственность выступает с одной стороны как фактор сохраняющий уже устоявшиеся признаки, с другой стороны обеспечивает вхождение в структуру организма новых элементов. Изменчивость.
Изменчивость это всеобщее свойство организмов в процессе онтогенеза приобретать новые признаки. Ч. Дарвин отметил, что нет двух одинаковых особей в одном помете, нет двух одинаковых растений выросших из родительских семян. Понятие о формах изменчивости Ч. Дарвиным было разработано на основе изучения пород домашних животных. По Ч. Дарвину существует следующие формы изменчивости: определенная, неопределенная, соотносительная, наследственная, ненаследственная.
Определенная изменчивость связана с возникновением у большого числа особей или у всех особей данного вида, сорта или породы в период онтогенеза. Массовую изменчивость по Дарвину можно связать с определенными условиями окружающей среды. Хорошо подобранный рацион питания приведет к повышению удоев у всех представителей стада. Сочетание благоприятных условий способствует увеличению размера зерновок у всех особей пшеницы. Таким образом, изменения, возникающие на основе определенной изменчивости, можно прогнозировать.
Неопределенная изменчивость связана с возникновением признаков у отдельных или нескольких особей. Такие изменения нельзя объяснить действием факторов внешней среды.
Соотносительная изменчивость это очень интересное явление. Появление одних признаков ведет за собой появление других. Так увеличение длины колоса злаков ведет к уменьшению длины стебля. Так получая хороший урожай, теряем солому. Увеличение конечностей у насекомых приводит к увеличению мышц. И таких примеров известно много.
Ч. Дарвин отметил, что одни изменения возникающие в онтогенезе проявляются у потомства, другие не проявляются. Первые он отнес к наследственной изменчивости, вторые к ненаследственной. Дарвин отметил и такой факт, что наследуются в основном изменения связанные с неопределенной и соотносительной изменчивостью.
Примером определенной изменчивости Дарвин считал действие окружающей среды. Причины неопределенной изменчивости Дарвин не мог, отсюда и само название этой формы изменчивости.
К настоящему времени причины и механизм изменчивости более или менее ясны. Современная наука различает две формы изменчивости – мутационную или генотипическую и кодификационную или фенотипическую. Мутационная изменчивость связана с изменением генотипа. Возникает она в результате мутаций. Мутации это результат воздействие на генотип мутагенов. Сами мутагены подразделяются на физические, химические и пр. Мутации бывают генные, хромосомные, геномные. Мутации передаются по наследству с генотипом. Модификационная изменчивость есть взаимодействие генотипа и окружающей среды. Проявляется модификационная изменчивость через норму реакции, т. е. воздействие факторов среды может изменить проявление признака в его крайних пределах определенных генотипом. Такие изменения не передаются потомкам, но могут проявляться в последующем поколении пи повторении параметров факторов среды. Обычно дарвиновская неопределенная изменчивость ассоциируется с мутационной, а определенная с модификационной. Борьба за существование.
В основе дарвиновской теории естественного отбора лежит борьба за существование, с необходимостью вытекающей из безграничного стремления организмов к размножению. Это стремление всегда выражается в геометрических прогрессиях.
Дарвин ссылается при этом на Мальтуса. Однако задолго до Мальтуса биологи знали об этом явлении. Да и наблюдения самого Дарвина подтверждали способность живых существ к потенциальной интенсивности размножения. Еще К. Линней указывал, что одна мясная муха при посредстве своего потомства могла бы за несколько дней до костей труп лошади.
Даже медленно размножающиеся слоны, по подсчету Ч. Дарвина, овладеть всей сушей, если бы для этого были бы все условия. По Дарвину от одной пары слонов за 740 лет получилось бы около 19 миллионов особей.
Почему же так различаются потенциальная и реальная рождаемость? Дарвин отвечает и на этот вопрос. Он пишет, что настоящее значение многочисленности яиц или семян заключается в том, чтобы покрыть их значительную убыль, вызываемую истреблением в каком-нибудь поколении жизни, т. е. размножение наталкивается на сопротивление среды. На основе анализа этого явления Ч. Дарвин вводит понятие“борьба за существование”.
“Понятие борьба за существование” может иметь смысл и оправдание только в дарвиновском широком “метафорическом” понимании: “включая сюда зависимость одного существа от другого, а также включая (что еще важнее) не только жизнь одной особи, но и успех ее в оставлении после себя потомства”. Дарвин пишет: “Про двух животных из ряда львов, В период голода, можно совершенно верно сказать, что они борются друг с другом за пищу и жизнь. НО про растение на окраине пустыни также говорят, что оно ведет борьбу за жизнь против засухи, хотя правильнее было бы сказать, что оно зависит от влажности. Про растение, ежегодно производящее тысячи семян, из которых в среднем вырастает лишь одно, еще вернее можно сказать, что оно борется с растениями того же рода и других, уже покрывающих почву…во всех этих знаниях… я ради удобства прибегаю к общему термину борьба за существование”.
Текст “Происхождение видов”подтверждает разнообразие форм борьбы за существование, но вместе с тем показывает, что во всех этих формах присутствует элемент соревнования или конкуренции.
Сам Ч. Дарвин ни каких форм борьбы за существование не выделял. Такие попытки делали Л. Морган, Л, Плате. В отечественную литературу понятие о формах борьбы за существование ввел К. А. Тимирязев. Следуя этим авторам обычно различают: 1) внутривидовую борьбу с себе подобными за пищу и размножение; 2) межвидовую борьбу с другими организмами (с хищниками, паразитами, бактериальными болезнями); 3) конституциональную борьбу с факторами неорганической среды. Внутривидовая борьба идет на условиях жесткой конкуренции, так как особи одного вида требуют одинаковых условий существования. На первое место выступает роль самого организма и его индивидуальных особенностей. Отмечается значение его средств защиты, его активность, его стремление к размножению. Борьба за существование на уровне вида имеет явно активный характер, и ее интенсивность увеличивается с увеличением плотности населения. Организмы соревнуются между собой в борьбе за пищу, за самку, за зону охоты, а так же в средствах защиты от неблагоприятных влияний климата, в охране потомства.
Ухудшение кормовых условий, высокая плотность населения и т. д. , позволяют выжить наиболее конкурентоспособным. В качестве примера внутривидовой борьбы можно привести ситуацию в стаде диких оленей. Увеличение численности особей приводит к повышению плотности популяции. В популяции увеличивается количество самцов. Увеличение плотности популяции приводит к нехватке корма, возникновению эпидемий, борьбе самцов за самку и т. д. Все это приводит к гибели особей и снижению численности популяции. Выживают более сильные.
Таким образом, внутривидовая борьба способствует совершенствованию вида, появлению адаптаций к среде обитания, к факторам, вызывающим эту борьбу. Межвидовая борьба происходит между особями и популяциями разных видов, т. е. идет борьба с хищниками, с паразитами и патогенными микроорганизмами. Такая борьба ведет к переживанию особей, наиболее вооруженных активными или пассивными средствами защиты против хищников и паразитов, а так же переживанию особей наиболее иммунных к болезням.
Зачастую межвидовая борьба идет в одном направлении. Классический пример это взаимоотношение зайцев и волков. Два зайца убегают от волка. В один момент они разбегаются и волк остается ни с чем. Межвидовая борьба способствует регулировки численности популяций, выбраковки больных или слабых организмов. Борьба с факторами неорганической среды заставляет растения приспосабливаться к новым условиям существования, толкает их к увеличению плодовитости. С другой стороны определяют приуроченность вида или популяции к определенным условиям местообитания. Особи мятлика лугового растущие в прериях и на равнине имеют прямостоячий стебель, а особи растущие в горных условиях имеют приподнимающийся стебель. В результате борьбы за существование выжили особи у которых на ранних этапах развития стебель прижимается к земле, т. е. он борется с ночными заморозками, к наиболее жизнеспособным в условиях горной местности являются и растения сильно опущенные.
Учение о борьбе за существование подтверждает, что именно этот фактор является движущей силой эволюции. Именно борьба, как ее не называй, конкуренция, соревнования. Вынуждает организмы приобретать новые признаки, которые позволяют им побеждать.
Фактор борьбы за существование учитывается и практической деятельности человека. При посадке растений одного вида необходимо соблюдать определенное расстояние между особями. При зарыблении водоемов ценными породами рыб из него удаляют хищников и малоценные породы. При выдаче лицензий на обстрел волков учитывают количество особей и т. д. Естественный отбор.
“Естественный отбор идет не через выбор наиболее приспособленных, а через истребление форм наиболее приспособленных к условия жизненной обстановки” - так пишет Ч. Дарвин в “Происхождении видов”. Естественный отбор основан на следующих посылках: а) особи любого вида в результате изменчивости, биологически не равные к условиям среды; одни из них в большей степени соответствуют условиям среды, другие в меньшей степени; б) особи любого вида борются с неблагоприятными им факторами среды и конкурируют между собой. В процессе этой борьбы и конкуренции, “как правило, - через истребление неудовлетворительных” –выживают наиболее приспособленные формы. Переживание наиболее приспособленный связано с процессами дивергенции, в ходе которых, под непрерывным воздействием естественного отбора, формируются новые внутривидовые формы. Последние все более обособляются и служат источником образования новых видов и их прогрессивного развития. Естественный отбор–творит новые формы жизни, создает удивительную приспособленность живых форм, обеспечивает процесс повышения организации, многообразия жизни. Отбор начинается на уровне , где наиболее высока конкуренция между особями. Обратимся к классическому примеру, о котором писал сам Ч. Дарвин. В березовом лесу преобладают бабочки со светлой окраской. Это говорит о том, что бабочки со светлой окраской вытеснили бабочек с темной и пестрой окраской. Этот процесс прошел под действием естественного отбора на лучшую защитную окраску. При замене березы на породы с темной окраской коры на данной территории бабочки со светлой окраской начинают исчезать–их поедают птицы. Оставшаяся в незначительном числе часть популяции с темной окраской начинает бурно размножаться. Идет отбор особей которые имеют шанс выжить и дать плодовитое потомство. В данном случае речь идет о межгрупповом соревновании, т. е. отбор идет между уже существующими формами. Естественному отбору подвергаются и отдельные особи. Любое незначительное уклонение дающее преимущество особи в борьбе за существование может подхватываться естественным отбором. В этом заключается творческая роль отбора. Он действует всегда на фоне подвижного материала, непрерывно меняющегося в процессах мутирования и комбинирования. Естественный отбор – главная движущая сила эволюции. Типы (формы) естественного отбора.
Различают два основных отбора: стабилизирующий и направленный. Стабилизирующий отбор происходит в тех случаях, когда фенотипические признаки максимально соответствуют условиям среды и конкуренция довольно слабая. Такой отбор действует во всей популяции, уничтожая особей с крайними уклонениями. Например, существует некая оптимальная длина крыльев для стрекозы определенных размеров с определенным образом жизни в данной среде. Стабилизирующий отбор действует благодаря дифференциальному размножению, будет уничтожать тех стрекоз, у которых размах крыльев больше или меньше оптимального. Стабилизирующий отбор не способствует эволюционному изменению, а поддерживает фенотипическую стабильность популяции из поколения в поколение. Направленный (движущий) отбор. Эта форма отбора возникает в ответ на постепенное изменение условий среды. Направленный отбор влияет на диапазон фенотипов, существующих в данной популяции, и оказывает селектвное давление, сдвигающее средний фенотип в ту или другую сторону. После того, как новый фенотип придет в оптимальное соответствие с новыми условиями среды, вступает в действие стабилизирующий отбор.
Направленный отбор приводит к эволюционному изменению. Вот один из примеров. Открытие в сороковых годах антибиотиков создало сильное давление отбора в пользу бактериальных штаммов, обладающих генетической устойчивостью к антибиотикам. Бактерии очень сильно размножаются, в результате случайной мутации может появится устойчивая клетка, потомки которой будут процветать благодаря отсутствию конкуренции со стороны других бактерий, уничтожаемых данным антибиотиком. Искусственный отбор.
Искусственный отбор это метод выведения новых пород домашних животных или сортов растений.
Человек с самых ранних времен своей цивилизации применяет искусственный отбор при разведении растений и животных. Дарвин пользовался данными по искусственному отбору, для объяснения механизма естественного отбора. Основными факторами искусственного отбора являются наследственность, изменчивость, действие человека, стремящегося довести наследственные отклонения до абсурда и отбор. Изменчивость, как свойство всех организмов изменяться, дает материал для отбора–различного ряда уклонения. Человек заметив нужные ему отклонения приступает к отбору. Искусственный отбор основан на изоляции природных популяций или особей с нужными отклонениями и избирательном скрещивании организмов, обладающими признаками желательными для человека.
Отбор черефордской и абердии- ангусской пород крупного рогатого скота велся на количество и качество мяса, чернзейской и джерсейской пород–на молочность. Овцы чемпширской и суффальской пород быстро созревают и дают хорошее мясо, но они менее выносливы и менее активны в поисках пищи, чем, например, шотландские черномордные овцы. Эти примеры, показывают, что в одной породе нельзя объединить все признаки, необходимые для максимального экономического эффекта.
При искусственном отборе человек создает направленное селективное действие, которое ведет к изменению частот аллелей и генотипов в популяции. Это эволюционный механизм, приводящий к возникновению новых пород, линий, сортов, рас и подвидов. Генофонды всех этих групп изолированы, но они сохраняют основную генную и хромосомную структуру, характерную для вида, к которому они все еще принадлежат. Создать новый вид или восстановить вымерший не во власти человека!
Дарвин различал в пределах искусственного отбора методический или систематический отбор и бессознательный отбор. При методическом отборе селекционер ставил перед собой вполне определенную цель, произвести новые породы, превосходящие все, что было в этом направлении создано. Бессознательный отбор направлен на сохранение уже имеющихся качеств.
В современной селекции существует две формы искусственного отбора: инбридинг и аутбридинг. Инбридинг основан на избирательном скрещивании близкородственных особей с целью сохранения и распространения особенно желательных признаков. Аутбридинг это скрещивание особей из генетически различных популяций. Потомки от таких скрещиваний обычно превосходят своих родителей.
Возникновение приспособлений. Относительный характер приспособленности. Результатом естественного отбора является возникновение признаков, позволяющих организмам приспособится к условиям существования. Отсюда и появилось представление о приспособительном характере эволюции. На основе изучения возникновения приспособлений (адаптаций) возникло целое направление в биологии–учение об адаптациях. Приспособительные признаки или адаптации подразделяются на физиологические и морфологические.
Физиологические адаптации. Обилие и большое значение для жизненной стойкости организма малых физиологических мутаций способствуют тому, что в популяциях начинается дифференцировка. Это понятно, если мутации по своей природе являются биологическими изменениями, которые прежде всего ведут к изменениям процессов внутриклеточного обмена веществ, и только через это к морфологическим преобразованиям. Примерами могут служить такие признаки организма, как стойкость по отношению к известным температурам, способность накапливать питательные вещества, общая активность и пр. Они легко дают смещение в обе стороны, и в обоих случаях могут быть благоприятными. Изучая всхожесть семян клевера красного при разных температурах показало, что наибольший % всхожести семена дают при +12С, но часть семян прорастает только в интервале +4-10С. Это способствует выживанию вида при низкой весенней температуре. Пигментация животных по своему развитию и изменчивости приближается к физиологическим признакам. Большая или меньшая интенсивность окраски может иметь защитные значения в соответствующих условиях общего фона и освещения. Это уже морфологические приспособления.
В известных исследованиях Гаррисона был показан механизм самого возникновения различий в окраске двух популяций бабочек, возникших из одной сплошной популяции при разделении леса широкой просекой. В той части леса, где сосна была замещена березой, естественный отбор (преобладающее поедание птицами более темных особей) привел к значительному посветлению популяции бабочек. Еще Ч. Дарвин обратил внимание на тот факт, что насекомые островов либо хорошие летуны, либо имеют редуцированные крылья. Такое явление как редукция органов, потерявших свое значение нетрудно объяснить, т. к. большинство мутаций связано именно с явлением недоразвития.
Анализ адаптаций показал, что они позволяют выжить организмам только в определенных условиях. Это можно понять даже проанализировав приведенные нами примеры. При вырубке берез светлые бабочки становятся легкой добычей птиц. Те же птицы появившиеся под островами уничтожают насекомых с редуцированными крыльями. Уже эти факты говорят, что приспособленность не абсолютна, а относительна. Доказательства эволюции органического мира.
Дарвинизм стал давно общепризнанным учением. Именно с низших дарвиновских представлений можно объяснить все исторические преобразования органического мира на Земле.
В конце 19 века, когда число сторонников эволюционного учения Ч. Дарвина было меньше, чем противников, последователи Ч. Дарвина начали сбор доказательств существования эволюции органического мира.
Работы в этом направлении велись в областях палеонтологии, сравнительной морфологии, сравнительной анатомии, эмбриологии, биогеографии, биохимии и др. Палеонтологические находки как доказательства эволюции.
За период существования научной биологии накопились многочисленные палеонтологические находки вымерших растений и животных. Особенно ценными эти находки стали тогда, когда ученые научились определять возраст отложений в которых они были найдены. Удавалось не только восстановить облик ископаемых организмов, но и указать время, когда они обитали на нашей планете. Так были найдены остатки семенных папоротников, которые были промежуточной формой между папоротниками и семенными растениями. Был обнаружен стегоцефал–промежуточная форма между рыбами и земноводными. Из пермских отложений известен зверозубый ящер являющийся промежуточной формой между рептилиями и млекопитающими. Таких примеров можно привести еще значительное количество. Сравнительно-морфологические и эмбриологические доказательства эволюции. Сравнительно-морфологические доказательства базируются на понятиях: аналогии и гомологии органов, на понятии рудименты и атавизмы. Особенно ценными в процессе доказательства эволюции являются гомология, рудименты и атавизмы. В качестве примера гомологичных органов можно назвать передние конечности позвоночных; лапы лягушки, ящерицы, крылья птицы, ласты водных млекопитающих, лапы крота, руки человека. Все они имеют единый план строения и составляют эволюционно-морфологический род. К таким явным доказательствам эволюции можно отнести наличие в роде человеческом“хвостатых людей” и людей волосяной покров которых охватывает всю поверхность тела. Одним из основных доказательств эволюции считаются сведения о эмбриональном развитии организмов, что способствовало появлению нового направления в биологии–эволюционной биологии. В пользу эволюции говорит уже то, что все многоклеточные животные имеют в своем эмбриональном развитии зародышевые листки, из которых разными путями формируются разные органы. Эмбрион в своем развитии как бы“вспоминает” стадии, которые прошли его предки. Доказательства эволюции из области экологии и географии.
Покровительственная окраска, возникновение симбиотических и паразитических форм можно объяснить только с позиций дарвинизма. Черви-паразиты произошли от червей сапрофитов, которые попав в кишечник хозяина приспособились к существованию в новых условиях, которые привели к изменению не только облика, но и функциональных особенностей. Своеобразие животного мира Австралии можно объяснить утерей связи этого острова с другими материками еще в Мезозойскую эру. Биохимические доказательства эволюции.
Ярким доказательством эволюции является наличие единого наследственного материала– ДНК и способность разных групп организмов “включать” в процессе жизни разные участки генома! Главные направления эволюционного процесса.
Процесс эволюции идет непрерывно под знаком приспособления организмов к окружающей среде.
Основными направлениями эволюционного процесса следует считать биологический прогресс, биологическую стабилизацию, биологический регресс. Четкие определения этих явлений были даны А. Н. Северцовым. Биологический прогресс означает возрастание приспособленности организма к окружающей его среде, ведущей к увеличению численности и более широкому распространению данного вида в пространстве. Примером биологического прогресса можно назвать эволюцию дыхательной системы от жаберного дыхания к легочному. Именно этот процесс привел к завоеванию животными суши и воздушного пространства.
Биологическая стабилизация по А. Н. Северцову, означает поддержание приспособленности организма на известном уровне. Организм изменяется соответственно изменениям окружающей среды. Численность его не возрастает, но и не снижается.
У растений при снижении среднегодовой температуры увеличивается количество кроющих волосков эпидермы. Это явление позволяет выжить всем особям, но преимущества между другими видами не наблюдается, т. к. они проявляют такую же реакцию.
Биологический регресс означает снижение приспособленности организма. Организм отстает от изменений во внешней среде, и в особенности от темпов эволюции и распространение экологически близких форм. Численность вида уменьшается, и вид идет на встречу вымиранию. Но следует отметить, что решительное преобладание регрессивных процессов при переходе к более простым условиям существования вовсе не исключает явления прогресса. Даже у паразитов при исключительной глубине их регресса, происходит прогрессивное развитие средств прикрепления, полового аппарата, кожного питания. По пути чистого биологического регресса идут пожалуй только реликты, Не успевающие приспособится к существующим условиям среды и поэтому попадающие в различные“Красные книги”. Наибольшее значение в эволюции имеет биологический прогресс, поэтому в биологии большое внимание уделяется изучению биологического прогресса. Основными направлениями биологического прогресса считаются ароморфозы и идеоадаптации, среди других направлений биологического прогресса можно назвать и общую дегенерацию.
Ароморфозы –приспособительные изменения, при которых происходит расширение жизненных условий связанного с усложнением организации и повышением жизнедеятельности. Классическим примером ароморфозов следует считать усовершенствование легких у птиц и млекопитающих, полное разделение артериальной и венозной крови в сердце птиц и млекопитающих, разделение функций у пластид высших растений. Идеоадаптации –направления в эволюции, при которых одни приспособления заменяются другими, биологически им равноценные. Идеоадаптации в отличии от ароморфозов имеют частный характер. Примером идеоадаптаций является эволюция ротового аппарата насекомых, который формировался в угоду среде обитания и коэволюции. Общая дегенерация –приспособительные изменения взрослых потомков, при которых общая энергия жизнедеятельности понижается. Относится к направлениям биологического прогресса потому, что редукция одних органов, происходящих при дегенерации сопровождается компенсаторным развитием иных органов. Так у пещерных и подземных животных редукция органов зрения сопровождается компенсаторным развитием иных органов чувств. Происхождение человека.
В антропологии существует несколько точек зрения на то, когда обособилась ветвь человеческая. Согласно одной из гипотез около 10 миллионов лет назад обезьянолюди разделились на три вида. Один вид– прагориллы – ушли в горные леса, где довольствовались вегетарианской пищей. Другой вид – прашимпанзе –выбрал групповой образ жизни. Главной пищей ему служили обезьяны мелких видов. Третий вид– прачеловек –предпочел охоту в богатой жизнью саванне. Это и была ветвь, которая привела к человеку современному.
Согласно современной гипотезе, выдвинутой Тимом Вайтоном, антропологом из Калифорнийского университета в Беркли, только пять миллионов лет назад, разделились ветви прачеловека и обезьяны. Тиман Вайт считает, что Австралопитек рамидус появившийся в это время в зависимости от обстоятельств двигался либо на четырех, либо на двух конечностях. И вероятно прошли сотни тысяч лет, прежде чем на смену смешанному движению пришло прямохождение.
Около трех миллионов лет назад ветвь человека дала две линии развития. Одна из них дала целую плеяду прямоходящих видов австралопитеков, другая привела к возникновению нового рода, получившего название хомо.