Гусев А.Н., Шамраева Т.М. БИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ ЭКОЛОГИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ЕЛЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. И.А. БУНИНА
Гусев А.Н., Шамраева Т.М.
БИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ ЭКОЛОГИИ
учебно-методическое пособие
для специальности
110301 - «Механизация сельского хозяйства»
ЕЛЕЦ – 2008
Печатается по решению редакционного издательского
Совета Елецкого государственного университета имени И.А. Бунина
от____________ 200 г. протокол № ___________
Рецензенты:
Доктор биологических наук, профессор
(Елецкий государственный университет имени И.А. Бунина)
Кандидат педагогических наук, доцент Л.Я. Мусатова
(Елецкий государственный университет имени И.А. Бунина)
Гусев А.Н., Шамраева Т.М.
Биология с основами экологии: учебно-методическое пособие
для специальности
110301 - «Механизация сельского хозяйства»
Елец: ЕГУ им. И.А. Бунина, 2008 г.__________
В учебно-методическом пособии к курсу «Биология с основами
экологии» представлены фрагменты лекционного курса, тематика
практических и семинарских занятий, адаптированное к оснащению учебных
лабораторий кафедры основ естествознания ЕГУ им. И.А. Бунина.
Пособие рекомендовано преподавателям и студентам вуза, учителям и
учащимся школ.
с. Елецкий государственный университет
им. И.А. Бунина, 2008
с. А.Н. Гусев, Т.М. Шамраева
Содержание
Предисловие
Глава I. Фрагменты лекционного курса по дисциплине биология
Тема 1. Биология как наука. Краткий исторический очерк. Система
биологических наук. Значение биологии для сельского, лесного,
промыслового хозяйства и медицины.
Тема 2. Теории происхождения жизни. Уровни организации жизни.
Тема 3. История эволюции органического мира. Системы организмов.
Основы современной систематики.
Тема 4. Размножение и индивидуальное развитие организмов
Тема 5. Обмен веществ и энергии клетки
Тема 6. Основы генетики.
Тема 7. Основы селекции
Тема 8. Общий обзор организма человека. Концепции физиологии
человека.
Тема 9. Здоровье.
Лабораторные занятия по биологии
Глава II. Фрагменты лекционного курса по основам экологии
Тема 1. Введение, история и задачи курса «Экология»
Тема 2. Среды жизни организмов и экологические факторы
Тема 3. Экология популяций
Тема 4. Биоценозы, экосистемы
Тема 5. Основы учения о биосфере. Работы В.И. Вернадского
Тема 6. Биосфера и человек. Ноосфера
Тема 7. Глобальные экологические проблемы
Тема 8. Региональные экологические проблемы
Тема 9. Экология сельского хозяйства.
Лабораторные занятия по экологии
Список литературы
Предисловие
Сельское хозяйство стоит ближе к природе по своей сущности по
сравнению с другими видами производственной деятельности человека. Оно
широко использует природы в производственном процессе, связано с
воспроизводством живых организмов (растений, животных), а следовательно,
сохраняет специфику производственных процессов, обусловленную
природными факторами, несмотря на рост технической вооруженности.
Поэтому
очевидна
необходимость
целенаправленной
подготовки
специалистов по механизации сельского хозяйства с экологической
установкой.
Формированию экологического сознания у инженеров-механиков
сельского хозяйства способствует изучение основ биологии и экологии,
поскольку эта специальность стоит на стыке живой и неживой природы. По
нашему мнению инженер-механик должен знать законы биологии и
экологии, чтобы сформировать основы рационального природопользования,
управления развития экосистем, ликвидации техногенных воздействий на
окружающую среду.
Дисциплина состоит из двух частей: основ биологии и экологии.
Решение этих задач в аудиторном секторе позволит улучшить и создать
новые ресурсо - и энергосберегающие технологии, оптимизировать
агроландшафты, повысив их устойчивость к антропогенным воздействиям.
Составитель – Шамраева Татьяна Михайловна
I БИОЛОГИЯ
Фрагменты лекционного курса
Тема 1. Биология как наука. Краткий исторический очерк.
Система биологических наук. Значение биологии для сельского, лесного,
промыслового хозяйства и медицины.
БИОЛОГИЯ (от био... и ...логия), совокупность наук о живой природе.
Предмет биологии — все проявления жизни: строение и функции
живых существ и их природных сообществ, распространение,
происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой природой.
Задачи биологии — изучение закономерностей этих проявлений,
раскрытие сущности жизни, систематизация живых существ. Термин
«биология» предложен в 1802 Ж.Б. Ламарком и Г.Р. Тревиранусом
независимо друг от друга. Он упоминается также в сочинении Т. Роозе (1797)
и К. Бурдаха (1800).
Исторический очерк. Современная биология уходит корнями в
древность и берёт начало в странах Средиземноморья (Др. Египет, Др.
Греция). Крупнейшим биологом древности был Аристотель.
1. В средние века накопление биологических знаний диктовалось в
основном интересами медицины. Однако вскрытия человеческого тела были
запрещены, и преподававшаяся по Галену анатомия была в действительности
анатомией животных, главным образом свиньи и обезьяны.
2. В эпоху Возрождения широко распространяются и комментируются
сочинения античных философов и натуралистов (первыми ботаническими
трудами были комментарии к сочинениям Теофраста, Плиния Старшего и
др.). В дальнейшем появляются оригинальные «травники» — краткие
описания лекарственных растений. А. Чезальпино сделал попытку (1583)
создания классификации растений на основе строения семян, цветков и
плодов. С введением анатомирования человеческого тела блестящих успехов
добивается анатомия человека, что отражено в классическом труде А.
Везалия «О строении человеческого тела» (1543). Работы анатомов
подготовили великое открытие 17 в.— учение У. Гарвея о кровообращении
(1628), применившего для физиологических исследований количественные
измерения и законы гидравлики.
Плеяда микроскопистов открывает тонкое строение растений (Р. Гук,
1665; М. Мальпиги, 1675—79; Н. Грю, 1671—82) и их половые различия (Р.
Камерариус, 1694, и др.), мир микроскопических существ, эритроциты и
сперматозоиды (А. Левенгук, 1673 и сл..), изучает строение и развитие
насекомых (Мальпиги, 1669; Я. Сваммердам, 1669 и сл.). Эти открытия
привели к возникновению противоположных направлений в эмбриологии —
овизма и анималькулизма и к борьбе концепций преформизма и эпигенеза. В
области систематики Дж. Рей описал в «Истории растений» (1686—1704)
свыше 18 тыс. видов, сгруппированных в 19 классов. Он же определил
понятие «вид» и создал классификацию позвоночных, основанную на
анатомо-физиологических признаках (1693). Ж. Турнефор распределил
растения по 22 классам (1700).
3. В 18 в. фундаментальную «Систему природы» (1735 и позже),
основанную на признании неизменности изначально сотворенного мира, дал
К. Линней, применив бинарную номенклатуру. Сторонник ограниченного
трансформизма Ж. Бюффон построил смелую гипотезу о прошлой истории
Земли, разделив её на ряд периодов, и в отличие от креационистов относил
появление растений, животных и человека к последним периодам. Опытами
по гибридизации Й. Кёльрёйтер окончательно доказал наличие полов у
растений и показал участие в оплодотворении и развитии как яйцеклеток, так
и пыльцы растений (1761 и позже). Ж. Сенебье (1782) и Н. Соссюр (1804)
установили роль солнечного света в способности зелёных листьев выделять
кислород и использовать для этого углекислый газ воздуха. В кон. 18 в. Л.
Спалланцани осуществил опыты, опровергающие господствовавшую до тех
пор в биологии идею возможности самозарождения организмов.
4. Уже со 2-й пол. 18 в. и в нач. 19 в. настойчивее в той или иной
форме возникают идеи исторического развития живой природы. Ш. Бонне
развил (1745, 1764) идею «лестницы существ», которую эволюционно
истолковал Ж. Б. Ламарк (1809). Эволюционные идеи Ламарка в то время
успеха не имели и подвергались критике со стороны многих учёных, среди
которых Ж. Кювье — основоположник сравнительной анатомии и
палеонтологии животных, выдвинувший (1812) учение катастрофах.
Антиэволюционные концепции Кювье утвердились в 1830 в результате
дискуссии с Э. Жоффруа Сент-Илером, пытавшимся обосновать
натурфилософское учение о «единстве плана строения» животных и
допускавшим возможность эволюционных изменений под прямым
воздействием внешней среды. Идея развития организмов нашла
убедительное подтверждение в эмбриологических исследованиях К. Ф.
Вольфа (1759, 1768), X. Пандера (1817) и К. М. Бэра (1827), в установлении
Бэром принципов сравнительной эмбриологии позвоночных (1828—37).
Обоснованная Т. Шванном (1839) клеточная теория сыграла огромную роль в
понимании единства органического мира и в развитии цитологии и
гистологии.
5. В сер. 19 в. установлены особенности питания растений и его
отличие от питания животных, сформулирован принцип круговорота веществ
в природе (Ю Либих, Ж. Б. Буссенго). В физиологи животных крупные
успехи достигнуты работами Э. Дюбуа-Реймона, заложившего основы
электрофизиологии, К. Бернара, выяснившего роль ряда секреторных органов
в пищеварении (1845, 1847) и доказавшего синтез гликогена в печени (1848),
Г. Гельмгольца и К. Людвига, разработавших методы изучения нервномышечной системы и органов чувств. И.М. Сеченов заложил основы
материалистического понимания высшей нервной деятельности («Рефлексы
головного мозга», 1863). Л. Пастер окончательно опроверг возможность
самозарождения современных организмов (1864). С. Н. Виноградский
обнаружил (1887—91) бактерии, способные путем хемосинтеза образовывать
органические вещества из неорганических. Д.И. Ивановский открыл (1892)
вирусы.
 Крупнейшим завоеванием 19 в. было эволюционное учение Ч.
Дарвина, изложенное им в труде «Происхождение видов…
(1859), в котором он вскрыл механизм эволюционного процесса
путём естественного отбора. Утверждение в биологии
дарвинизма способствовало разработке ряда направлений:
эволюционно-сравнительной
анатомии
(К.
Гегенбаур),
эволюционной эмбриологии (А.О. Ковалевский, И.И. Мечников)
эволюционной палеонтологии (В.О. Ковалевский).
 Большие успехи, достигнутые в 70—80-х гг. 19 в. в изучении
сложных процессов клеточного деления (Э. Страсбургер, 1875; В.
Флемминг, 1882, и др), созревания половых клеток и
оплодотворения (О. Гертвиг, 1875 и позже; Г Фоль, 1877; Э. Ван
Бенеден, 1884; Т. Бовери 1887, 1888) и связанных с ними
закономерностей распределения хромосом в митозе и мейозе,
породили множество теорий, искавших в ядре половых клеток
носителей наследственности (Ф. Гальтон, 1875; К. Негели, 1884;
Э. Бургер, 1884; А. Вейсман, 1885-1892, X. Де Фриз, 1889).
Однако закономерности наследственности, обнаруженные Г.
Менделем (1865), остались незамеченными вплоть до 1900, когда
они были подтверждены и легли в основу генетики.
6. Отправными пунктами развития генетики в нач. 20 в. стали
менделизм и мутационная теория (X. Де Фриз, 1901—03), способствовавшие
в дальнейшем синтезу генетики и дарвинизма. Была сформулирована
хромосомная теория наследственности (Т. Бовери, 1902—07; У. Сеттон,
1902), однако лишь Т. Морган и его школа (1910 и позже) обосновали и
разработали её полностью. На основе учения В. Иогансена о чистых линиях
(1903) им были введены понятия ген, генотип, фенотип (1909).Химическая
природа генов и матричный принцип их воспроизведения сначала
постулировались чисто теоретически в форме представления о
«наследственных молекулах» (Н.К. Кольцов, 1927). В дальнейшем было
показано, что носителями генетической информации являются молекулы
ДНК (1944). Установление структуры ДНК (Дж. Уотсон и Ф. Крик, 1953)
привело к раскрытию генетического кода, дало резкий толчок развитию
молекулярной биологии (в широком смысле — комплексу направлений,
объединяемых понятием физико-химическая биология), а позднее —
генетической инженерии и биотехнологии. В области физиологии животных
И.П. Павловым разработано учение об условных рефлексах и высшей
нервной деятельности; бурно развивается нейрофизиология. Физиология
растений добилась успехов в изучении фотосинтеза.
 Существенное развитие в 20 в. получила эволюционная
теория. В 20—30-х гг. была вскрыта роль в эволюции
мутационного процесса, колебаний численности и изоляции при
направленном действии отбора. Это позволило разработать
синтетическую теорию эволюции, развивающую дарвинизм (С.С.
Четвериков, Дж. Б.С. Холдейн, Р. Фишер, С. Райт, Дж. Хаксли,
Ф. Г. Добржанский, Э. Майр и др.) и включающую учения о
факторах эволюции (И.И. Шмальгаузен и др.), о микроэволюции
и макроэволюции.
Крупнейшим достижением биологии является создание В.И.
Вернадским биогеохимии и учения о биосфере (1926), В.Н. Сукачёвым —
биогеоценологии (1942), А. Тенсли — учения об экосистемах (1935), на
основе которых научно разрабатывается стратегия взаимоотношений
человечества с природой. Трудами В. Шелфорда (1912, 1939), Ч. Элтона
(1934) и многими другими разработаны основы экологии как науки о
взаимосвязи между организмами и окружающей средой. С сер. 20 в. успехи
экологии, а также становящиеся всё более серьёзными проблемы охраны
природы привели к «экологизации» многих биологических наук,
способствовали утверждению современного системного подхода к развитию
популяционной биологии.
Система биологических наук. Одними из первых в биологии
сложились комплексные науки по объектам исследования — о животных —
зоология, растениях — ботаника; анатомия и физиология человека — основа
медицины.
В пределах зоологии сформировались более узкие дисциплины,
например протозоология, энтомология, орнитология, териология и др.; в
ботанике — альгология, бриология, дендрология и т.д. В самостоятельные
науки выделились микробиология, микология, лихенология, вирусология.
Многообразие организмов и распределение их по группам изучают
систематика животных и систематика растений. Изучением прошлой истории
органического мира занимается палеонтология и её разделы —
палеозоология, палеоботаника, палеоэкология и др.
Другой аспект классификации биологических дисциплин — по
исследуемым свойствам и проявлениям (механизмам) живого. Форму и
строение организмов изучают морфологические дисциплины — цитология,
гистология, анатомия; состав и ультраструктуру тканей и клеток —
биохимия, биофизика, молекулярная биология; образ жизни животных и
растений и их взаимоотношения с условиями среды обитания — экология и
более специально — гидробиология, биогеография, биогеоценология и т. д.;
функции живых существ изучают физиология животных и физиология
растений; закономерности поведения животных — этология; закономерности
наследственности и изменчивости — предмет исследований генетики;
закономерности индивидуального развития изучает эмбриология или в более
широком современном понимании — биология развития; историческое
развитие — эволюционное учение. Широкое проникновение математики в
разделы биологии вызвало к жизни математическую биологию, биометрию.
В целом для биологии характерно взаимопроникновение идей и
методов различных биологических дисциплин, а также др. наук — химии,
физики, математики.
В 20 в. возникли новые биологические дисциплины и направления на
границах смежных наук, а также в связи с практическими потребностями
(радиобиология, космическая биология, физиология труда, социобиология и
др.).
Значение биологии для сельского, лесного, промыслового хозяйства и
медицины. Необходимые для питания белки, жиры, углеводы, витамины
человек получает главным образом от культурных растений и прирученных
животных. Знание законов генетики и селекции, а также физиологических
особенностей
культурных
и
одомашненных
видов
позволяет
совершенствовать агротехнику и зоотехнику, выводить более продуктивные
сорта растений и породы животных. Уровень знаний в области биогеографии
и экологии определяет возможность и эффективность интродукции и
акклиматизации.
Биохимические
исследования
позволяют
полнее
использовать получаемые органические вещества растительного и животного
происхождения, а также их лабораторного и промышленного синтеза.
Развитие в последние годы генетической инженерии открывает широкие
перспективы для биотехнологии биологически активных и лекарственных
веществ. Исключительно важное значение имеет биология как теоретическая
основа ведения сельского, лесного и промыслового хозяйства. Познание
закономерностей размножения и распространения болезнетворных вирусов и
бактерий, а также паразитических организмов необходимо для успешной
борьбы с инфекционными и паразитарными заболеваниями человека и
животных.
Тема 2. Теории происхождения жизни. Уровни организации жизни.
Среди главных теорий возникновения жизни на Земле следует
упомянуть следующие:
 жизнь была создана сверхъестественным существом в
определенное время – теория креационизма;
 жизнь возникала неоднократно из неживого вещества – теория
самопроизвольного зарождения;
 жизнь существовала всегда – теория стационарного
состояния;
 жизнь занесена на нашу планету извне – теория панспермии;
 жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся
химическим и физическим законам - биохимическая эволюция.
Теория креационизма
Согласно этой теории, жизнь возникла в результате какого-то
сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи
почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Если наука в
поисках истины широко использует наблюдение и эксперимент, то
богословие постигает истину через божественные откровения и веру. Вера
признает вещи, которым нет доказательств в научном смысле слова. Это
означает, что логически не может быть противоречия между научным и
богословским объяснением сотворения мира. Для ученого научная истина
всегда содержит элементы гипотез, предварительности, но для верующего
теологическая истина абсолютна.
Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место
лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Наука занимается
только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а потому она
никогда не будет в состоянии ни доказать, ни опровергнуть эту концепцию.
Теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения
Эта теория распространена в Др. Китае, Вавилоне и Египте в качестве
альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель
(384-322 гг. до н.э.) придерживался данной теории, утверждающая что «…
природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой
плавной последовательностью, поместив между ними существа, которые
живут, не будучи при этом животными, что между соседними группами,
благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия», чем укрепил
более раннее высказывание Эмпедокла об органической эволюции. Согласно
гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы»
вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих
условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что
это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно
полагал, что оно присутствует в солнечном свете, тине и гниющем мясе.
Ван Гельмонт (1577-1664гг.) описал эксперимент, в котором он за три
недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка,
темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения
мыши ван Гельмонт считал человеческий пот.
В 1688 г. итальянский биолог и врач Франческо Реди, живший во
Флоренции, подошел к проблеме возникновения жизни более строго и
подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что
маленькие белые червячки, появившиеся на гниющем мясе, - это личинки
мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие
мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предыдущей жизни
(концепция биогенеза). Однако, его эксперименты привели к отказу от идеи
самозарождения.
Первые микроскопические исследования Антона ван Левенгука
усилили эту теорию применительно к микроорганизмам, его наблюдения под
микроскопом дали пищу обеим теориям и в конце концов побудили других
ученых поставить эксперименты для решения вопроса о возникновении
жизни путем спонтанного зарождения.
В 1765 г. Ладзаро Спалланцани провел следующий опыт: подвергнув
мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу
же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через
несколько дней, Спалланцани не обнаружил в них никаких признаков жизни.
Из этого он сделал вывод, что высокая температура уничтожала все формы
живых существ, и что без них ничто живое уже не могло возникнуть.
В 1860 Луи Пастер полагал, что бактерии вездесущи и что неживые
материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не
стерилизовать должным образом.
В результате ряда экспериментов, в основе которых лежали методы
Спалланцани, Пастер доказал справедливость теории биогенеза и
окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.
Теория стационарного состояния
Согласно этой теории, земля никогда не возникала, а существовала
вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась,
то очень мало. Виды также никогда не возникали, они существовали всегда,
и у каждого вида есть лишь две возможности – либо изменение численности,
либо вымирание.
Теория панспермии
Эта теория выдвигает идею о внезапном происхождении жизни. Теория
панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз
в разное время и в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования
этой теории используются многократные появления НЛО, наскальные
изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также (пока
еще не подтвержденные) сообщения о встрече с инопланетянами.
При изучении материала метеоритов и комет, в них были обнаружены
многие «предшественники живого» - такие вещества, как цианогены,
синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли
роль «семян», падавших на голую землю. Появился ряд сообщений о
нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные форм
жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся
ученым убедительными.
Биохимическая эволюция
Наиболее широкое признание получила гипотеза, согласно которой
жизнь возникла как результат длительной эволюции углеродных соединений.
Разработка такой гипотезы принадлежит А.И. Опарину. Несколько позднее к
подобной гипотезе пришел Дж. Холдейн. Формулировка гипотезы А.И.
Опариным была сделана в 1924, Дж. Холдейном в 1929 году.
В процессе становления жизни на Земле условно выделяют 4 этапа:
1.
Синтез низкомолекулярных органических веществ из газов
первичной атмосферы.
2.
Полимеризация мономеров с образование цепей белков и
нуклеиновых кислот.
3.
Образование систем органических веществ, отделенных от
внешней среды мембранами;
4.
Возникновение простейших клеток, обладающих свойствами
живого.
Первые три этапа относят к химической эволюции, с четвертого этапа
начинается биологическая эволюция.
Возможность химической эволюции подтверждена опытами в
лабораторных условиях, начало которым было положено в 1953 году С.
Миллером. В разработанной им установке из циркулирующей газовой смеси,
состоящей из метана, аммиака, водорода и паров воды, под высоким
давлением и воздействием высокого напряжения был получен набор малых
органических молекул.
По данным современной науки, возраст Земли оценивается в 4,6 млрд.
лет, а первые признаки жизни на ней (по данным палеонтологии) появились
около 3,8 млрд. лет назад.
Первичная атмосфера имела восстановительный характер, так как
состояла из свободного водорода и его соединений (H 2O, CH 4, NH, HCN).
Под влиянием различных видов энергии (ультрафиолетовое и радиоактивное
излучение, электрические грозовые разряды, вулканические процессы,
высокая температура и др.) из простейших соединений синтезировались
молекулы аминокислот, сахаров, азотистых оснований, жирных кислот. При
концентрировании этих веществ в растворе происходило образование
биополимеров (примитивных белков и нуклеиновых кислот).
Некоторые из полипептидов обладали каталитической активностью и
могли ускорить процессы матричного синтеза полинуклеотидов.
Молекулы, окруженные водной оболочкой, могли объединяться,
образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты. В первичном бульоне
коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества. Одни
коацерватные капли распадались, другие росли, изменяя свой химический
состав. Академик А.И. Опарин отмечал, что среди коацерватных капель
должен был идти отбор наиболее устойчивых в данных конкретных
условиях. Достигнув определенного размера, коацерватная капля могла
распадаться на дочерние.
В дальнейшем сохранялись лишь те капли, которые обладали
способностью поглощать из окружающей среды не всякие вещества, и лишь,
те которые обеспечивали им устойчивость: которые при разделении на
дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т.е. обладали
свойством самовоспроизведения.
Эволюция коацерватов завершилась образованием мембраны из
фосфолипидов. Появление первых клеточных организмов положило начало
биологической эволюции жизни.
Первые живые организмы были гетеротрофными (использовали в
качестве пищи органические вещества первичного океана), анаэробами (в
атмосфере Земли не было свободного кислорода).
С увеличением количества гетеротрофов органических веществ в
первичном океане становилось меньше. В преимущественном положении
оказались организмы, способные использовать для создания органических
веществ энергию света. Одним из первых источников электронов,
необходимых для восстановления углекислого газа и азота, был сероводород.
Следующим
этапом
эволюции
было
приобретение
фотосинтезирующими организмами способности использовать воду в
качестве источника водорода. С этого времени в атмосфере Земли начал
накапливаться свободный кислород. Первыми организмами, выделившими
кислород в атмосферу, были цианобактерии, или синезеленые водоросли.
Накопление свободного кислорода в атмосфере привело к тому, что,
одни из анаэробов вымерли, другие нашли среду, лишенную кислорода,
третьи вступили в симбиоз с аэробными клетками, вследствие чего возникли
эукариотические клетки. Полагают, что основой для симбиоза послужили
амебоподобные клетки-гетеротрофы, которые, питаясь, могли захватывать и
мелкие бактериоподобные аэробные клетки. Бактерии-симбионты в теле
амебоподобных клеток могли оставаться невредимыми. В дальнейшем они
превратились в митохондрии.
К поверхности клетки-хозяина могли прикрепиться жгутикоподобные
бактерии, вследствие чего возникали предшественники ныне живущих
простейших.
Фотосинтезирующие
бактерии-симбионты
стали
хлоропластами. Появились одноклеточные водоросли.
В организации живого в основном различают молекулярный,
клеточный, организменный, популяционно-видовой, биоценотический,
биогеоценотический (экосистемный) уровень.
Молекулярный уровень. Этот уровень является глубинным в
организации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков,
углеводов, липидов и стероидов, находящихся в клетках и, как уже отмечено,
получивших название биологических молекул. Размеры биологических
молекул разнообразны. Самыми малыми биологическими молекулами
являются нуклеотиды, аминокислоты и сахара. Напротив, белковые
молекулы характеризуются значительно большими размерами. Например,
диаметр молекулы гемоглобина человека составляет 6,5 нм.
Биологические молекулы синтезируются из низкомолекулярных
предшественников, которыми являются окись углерода, вода и атмосферный
азот и которые в процессе метаболизма превращаются в биологические
макромолекулы с большой молекулярной массой. На этом уровне
начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности
(кодирование и передача наследственной информации, дыхание, обмен
веществ и энергии, изменчивость и др.).
Все макромолекулы универсальны, так как построены по одному плану
независимо от их видовой принадлежности. Являясь универсальными, они
одновременно и уникальны, ибо их структура неповторима. Например, в
состав нуклеотидов ДНК входит по одному азотистому основанию из
четырех известных (аденин, гуанин, цитозин и тимин), вследствие чего
любой нуклеотид или любая последовательность нуклеотидов в молекулах
ДНК неповторимы по своему составу, равно как неповторима также и
вторичная структура молекулы ДНК. В состав большинства белков входит
100-500 аминокислот, но последовательности аминокислот в молекулах
белков неповторимы, что делает их уникальными.
Биологическим макромолекулам присущи непрерывные превращения,
которые обеспечиваются химическими реакциями, катализируемыми
ферментами.
На молекулярном уровне осуществляется фиксация лучистой энергии и
превращение этой энергии в химическую, запасаемую в клетках в углеводах
и других химических соединениях, а химической энергии углеводов и других
молекул – в биологически доступную энергию, запасаемую в форме
макроэнергетических связей АТФ. Наконец, на этом уровне происходит
превращение энергии макроэргических фосфатных связей в работу –
механическую, электрическую, химическую, осмотическую. Объединяясь,
макромолекулы разных типов образуют надмолекулярные структуры,
примерами которых являются нуклеопротеиды, представляющие собой
комплексы нуклеиновых кислот и белков, липопротеиды (комплексы
липидов и белков), рибосомы (комплексы нуклеиновых кислот и белков).
Таким образом, биологические молекулы обеспечивают также
преемственность между молекулярным и следующим за ним уровнем
(клеточным), являясь материалом, из которого образуются клетки. На
молекулярном уровне существует все многообразие вирусов.
Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен
клетками, действующими в качестве самостоятельных организмов (бактерии,
простейшие и др.), а также клетками многоклеточных организмов. Будучи
способными к жизни, росту и размножению, клетки являются основной
формой организации живой материи, элементарными единицами, из которых
построены все живые существа (прокариоты и эукариоты). Надмолекулярные
структуры на этом уровне формируют мембранные системы и органеллы
клеток (ядра, митохондрии и др.).
Специфичность клеточного уровня определяется специализацией
клеток, существованием клеток в качестве специализированных единиц
многоклеточного
организма.
На
клеточном
уровне
происходит
разграничение
и упорядочивание процессов жизнедеятельности в
пространстве и во времени, что связано с приуроченностью функций к
разным субклеточным структурам.
На основе различий в строении клеток в органическом мире выделяют
прокариоты (ц. бактерий) и эукариоты (ц. грибы, ц. растения, ц. животные).
Организменный уровень. Этот уровень представлен самими
организмами – одноклеточными и многоклеточными растительной и
животной природы. Организмы уникальны в природе, потому что уникален
их генетический материал, детерминирующий развитие, функции и
взаимоотношение их с окружающей средой.
Живой организм – целостнаяя биологическая система, состоящая из
взаимозависимых
соподчиненных элементов, взаимоотношения и
особенности строения которых определены их функционированием как
целого. Главные отличия живых организмов – способность к саморегуляции
(сохранению строения, состава и свойств) и способность к
самовоспроизведению (многократному повторению своих характеристик в
поколениях). По определению акад. М.В. Волькенштейна «Живые тела,
существующие
на
Земле,
представляют
собой
открытые,
саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из
биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».
Популяционно-видой уровень. Этот уровень определяется видами
растений, животных и микроорганизмов, существующими в природе в
качестве живых звеньев.
Видом
считается
совокупность
особей,
обладающих
наследственным
сходством
морфологических,
физиологических
и
биохимических особенностей, свободно скрещивающихся и дающих
плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни и
занимающих в природе определенную область – ареал.
Популяция – элементарная единица вида и эволюции.
Популяционный состав видов чрезвычайно разнообразен. В составе
одного вида может быть от одной до многих тысяч популяций,
представители которых характеризуются самым различным местообитанием,
занимают разные экологические ниши и характеризуются определенным
генофондом. В популяции начинаются элементарные эволюционные
преобразования, выработка адаптивных форм.
Биоценотический. Биогеоценотический (экосистемный) уровень.
Представлен биогеоценозами, составной частью которых является биоценоз.
Биогеоценоз – однородный участок земной поверхности с определенным
составом живых организмов (биоценоз) и неживых компонентов (приземный
слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.), объединенных обменом
веществ и энергии в единый сложный природный комплекс.
Понятие биогеоценоз введено В.Н. Сукачевым (1940 г.). Получило
распространение главным образом в отечественных трудах. За рубежом,
особенно в англоязычных странах, чаще используется термин, предложенный
в 1935 году англ. ученым Тенсли «экосистема», хотя он многозначен и
употребляется также по отношению к искусственным комплексам
организмов и абиотических компонентов (аквариум, космический корабль), к
отдельным частям биогеоценоза (гниющий пень с населяющими его
организмами).
Совокупность всех входящих в биогеоценоз живых организмов
составляет биоценоз. Каждый вид использует часть энергии, содержащейся в
органических веществах. Остатки используются другими живыми
организмами, образуя сложные цепи питания. Любой биоценоз включает:
 продуценты (растения);
 консументы (животные)
 редуценты (микроорганизмы, живущие за счет органических
веществ и разлагающие их до минеральных компонентов).
Необходимое условие существования биогеоценоза – постоянный
приток солнечной энергии.
Каждый биогеоценоз характеризуется определенной однородностью
абиотических условий и составом биоценоза. При определении границ
наземных биоценозов главное значение придается характеру растительности.
Биогеоценоз – незамкнутая (открытая) динамическая система (любой
биогеоценоз не остается в неизменном виде, эволюционирует). Однако ему
присуща определенная устойчивость во времени (результат длительной
адаптации живых компонентов друг к другу и неживым компонентам среды).
Биосферный уровень. Этот уровень является высшей формой
организации живого (живых систем). Он представлен биосферой, в которой
осуществляется объединение всех вещественно-энергетических круговоротов
в глобальный круговорот веществ и энергии.
Биосфера – совокупность всех биогеоценозов (экосистем) Земли.
Включает все живое и неживое, связанное с жизнью. Совокупность всех
живых организмов планеты составляет живое вещество биосферы.
Границы биосферы определяются наличием условий для жизни.
Биосфера охватывает:
 поверхность Земли;
 верхнюю часть литосферы (твердой оболочки Земли);
 гидросферу (всю);
 нижнюю часть атмосферы (тропосферу).
Крайних пределов достигают бактерии, споры грибов (обнаружены на
высоте 20 км в атмосфере, на глубине 4 км в земной коре, 11 км на дне
океанических впадин). Верхняя граница обусловлена озоновым экраном, не
пропускающим жесткое УФ излучение, губительно воздействующее на
живые организмы. Нижняя находится в литосфере и определяется границей
осадочных и базальтовых пород.
Наибольшая концентрация жизни находится на границах сфер: у
границ соприкосновения литосферы и атмосферы (почва), гидросферы и
атмосферы (верхние слои мирового океана), литосферы и гидросферы (дно
мирового океана). В.И. Вернадский их называл «пленками жизни»
Все живые организмы на планете в процессе своей жизнедеятельности
преобразуют геологические оболочки и определяют «лик» Земли.
Круговорот веществ и превращения энергии обуславливают
стабильность биосферы. Зеленые растения (продуценты), используя
световую энергию Солнца создают органические вещества – первичную
продукцию. Первичная продукция используется животными, грибами
(консументы). В результате чего создается вторичная продукция.
Первичная и вторичная продукция разрушается бактериями и грибами
(редуценты) до минеральных веществ.
Между разными уровнями организации живого существует
диалектическое единство. Живое организовано по типу системной
организации, основу которой составляет иерархичность систем. Переход от
одного уровня к другому связан с сохранением функциональных механизмов,
действующих на предшествующих уровнях, и сопровождается появлением
структуры и функций новых типов, а также взаимодействия,
характеризующегося новыми особенностями.
Тема 3. История эволюции органического мира. Системы
организмов. Основы современной систематики.
Эволюция (от лат. evolutio – развертывание) – необратимый процесс
исторического изменения живого.
Краткая история эволюции органического мира
В истории развития жизни на Земле выделяют несколько эр:
архейскую, протерозойскую, палеозойскую, мезозойскую, кайнозойскую.
Архейская эра — эра зарождения жизни:
 жизнь зародилась в морях около 3,5 млрд лет назад как результат
усложнения материи;
 в отложениях встречаются породы, которые могли возникнуть только
при участии бактерий, в том числе сине-зеленых водорослей, или
цианобактерий.
Протерозойская эра — эра древнейшей жизни, началась 2 млрд лет
назад, закончилась 600 млн лет назад:
 появились ядерные формы одноклеточных организмов и первые
многоклеточные;
 жизнь развивается в воде (вероятно, одноклеточные организмы были и
в сырых местах суши);
 в протерозое возникли все основные группы водорослей, многие типы
животных.
Палеозойская эра — эра древней жизни, продолжалась 350 млн лет,
закончилась 250 млн лет назад; характеризуется бурным развитием живых
организмов. Выделяют периоды:
 кембрийский и ордовикский: в океане появились животные с
прочными раковинами (до 75 см длиной) — трилобиты, плеченогие
(особый тип животных);
 силурийский: существовали бесчелюстные щитковые — первые
представители позвоночных с костным панцирем, отсутствием
челюстей и парных плавников (они дали начало рыбам); отмечено
возникновение челюстей у рыб — важный ароморфоз в эволюции
позвоночных; активный способ питания способствовал развитию
нервной системы; в морях процветали ракоскорпионы, головоногие
моллюски с прямой раковиной — белемниты; в конце силура
появились первые наземные членистоногие — многоножки и
скорпионы;
 девонский: произошло овладение организмов сушей; появились
псилофиты (имели механические, проводящие, покровные ткани,
устьица); в конце девона на смену им пришли споровые растения:
плауны, хвощи, папоротники; на сушу вышли первые позвоночные;
среди рыб обособились двоякодышащие и кистеперые; появились
стегоцефалы — древние земноводные (произошли от кистеперых
рыб);
 каменноугольный: время расцвета древовидных папоротников,
болотистых ландшафтов, образования каменного угля;
 пермский: появились древние голосеменные (оплодотворение без
участия воды, зародыш в семени защищен от высыхания плотными
оболочками); иссушение климата; появление пресмыкающихся
(ороговевшая кожа, внутреннее оплодотворение, яйца с большим
запасом питательных веществ и плотными оболочками).
Мезозойская эра. Продлилась 160 млн лет. Выделяют периоды:
 триасовый: появились первые млекопитающие (их предки
зверозубые ящеры), господство голосеменных растений, травоядных
и хищных ящеров;
 юрский: появились первые зубатые птицы, предками которых были
ящеры, передвигающиеся на задних ногах;
 меловой: появились настоящие птицы; в морях преобладали
настоящие костные рыбы; процветали головоногие моллюски со
спирально скрученной раковиной; голосеменные из-за изменения
климата начали вымирать; наблюдалось распространение
покрытосеменных растений.
Кайнозойская эра. Длилась 60—70 млн лет. Выделяют периоды:
 палеоген и неоген: вечнозеленые леса сменились листопадными и
степями, наступило время оледенения, теплолюбивые растения
оттесняются к югу, процветают покрытосеменные (их эволюция
продвинулась благодаря насекомым-опылителям); млекопитающие
стали разнообразными;
 антропоген: формируется новый вид — Человек разумный.
Мир живых существ насчитывает не менее 2 млн. видов. Все это
многообразие организмов изучает систематика.
Систематика – (от греч. systematikos – упорядоченный,
относящийся к системе), раздел биологии, задачей которого является
описание и обозначение всех существующих и вымирающих организмов, а
также их классификация по таксонам (группировкам) разичного ранга.
Особое значение систематики заключается в создании возможности
ориентирования во множестве существующих видов организмов.
Попытки классификации организмов известны с древности
(Аристотель, Теофаст и др.), однако основы систематики как науки изложены
в работах Дж. Рея (1686-1704) и особенно К. Линнея (1735 и позже). Первые
научные системы растений и животных были искусственными, т.е.
объединяли организмы в группы по сходным внешним признакам и не
придавали значения их родственным связям. Учение Ч. Дарвина (1859 и
позднее) придало уже сложившейся систематике эволюционное содержание.
В дальнейшем главным направлением её развития стало эволюционное,
стремящееся наиболее точно и полно отразить в естественной (или
филогенетической) системе генеалогические отношения, существующие в
природе.
До середины 20 века органический мир обычно делили только на два
царства – растений и животных. Хотя еще в 19 веке все одноклеточные или
даже все низшие организмы (простейшие, водоросли и низшие грибы)
считали возможным выделить в самостоятельное царство, а некоторые
микологи предлагали выделить в отдельное царство грибы. Только с
развитием электронной микроскопии и молекулярной биологии в середине
20 века началась фундаментальная перестройка всей системы высших
таксонов.
Принципиально важным было установление факта резкого отличия
бактерий, цианобактерий (сине-зеленых водорослей) и недавно открытых
архебактерий от всех остальных живых существ. У них нет истинного ядра, а
генетический материал в виде кольцевой цепи ДНК лежит свободно в так
называемой нуклеоплазме и не образует настоящих хромосом. Они
отличаются также отсутствием митотического веретена
(деление
немитотическое), микротрубочек и другими существенными особенностями,
в том числе в строении жгутиков. Эти организмы называются прокариотами
или доядерными. Все остальные организмы (одно и многоклеточные) имеют
настоящее ядро, окруженное мембраной, генетический материал ядра
заключен в хромосомах, содержащих ДНК и РНК и белки, обычно имеются
различные формы митоза, а также упорядоченно расположенные
микротрубочки, митохондрии и пластиды. Такие организмы называются
эукариотами (эвкариотами) или ядерными. Прокариоты или эукариоты
образуют два разных надцарства органического мира.
Надцарство прокариот состоит из двух царств – бактерий (включая
цианобактерий) и архибактерий. Сложнее обстоит дело с гораздо более
разнообразным надцарством эукариот. Оно состоит из трех царств
животных, грибов и растений. Царство животных включает в себя
подцарство простейших и многоклеточных животных.
Следующее царство эукариот грибы. Большинство микологов включает
низшие грибы в царство грибов, но в некоторых современных системах
организмов они отнесены к отдельному царству протистов. Наконец к
эукариотам относят царство растений. В это царство включают все высшие
растения, а также ядросодержащие водоросли.
Границы между тремя царствами эукариот служат предметом
разногласий и лишь будущие исследования могут внести ясность в этот
дискуссионный вопрос.
Общепринятая система организмов пока не создана, поэтому число
выделяемых царств, подцарств и типов(отделов) у разных авторов не
одинаково. Примерами современных систем организмов могут служить
системы А.Л. Тахтаджяна (1973), Л.Маргелис и др. авторов. На основе
данных, приведенных в этих работах, система организмов представляется в
следующем виде.
А. НАДЦАРСТВО ДОЯДЕРНЫЕ ОРГАНИЗМЫ,
ИЛИ ПРОКАРИОТЫ
I. Царство Бактерии
1. Подцарство бактерии.
II. Царство Архебактерии
Б. НАДЦАРСТВО ЯДЕРНЫЕ ОРГАНИЗМЫ,
ИЛИ ЭУКАРИОТЫ
I. Царство Животные
1. Подцарство Простейшие
2. Подцарство Многоклеточные
II. Царство Грибы
III. Царство Растения.
1. Подцарство багрянки
2. Подцарство Настоящие водоросли.
3. Подцарство Высшие растения
Тема 4. Размножение и индивидуальное развитие организмов
Каждя особь любого вида растений и животных смертна, и
существование видов возможно благодаря размножению – свойству
организмов оставлять потомство.
В основе всех способов размножения организмов лежит деление
клеток. Рост организма происходит за счет деления клеток.
Период от окончания одного деления до начала следующего
называется жизненным или клеточным циклом.
Для высокоспециализированных клеток цикл длится от момента
образования клетки до ее смерти.
В жизненном цикле клетки выделяют два периода:
I - период между делениями – интерфаза, когда клетка растет,
функционирует и готовится к делению.
II - период деления.
I период – интерфаза: происходит редупликация ДНК, удвоение числа
хромосом, образование белков ахроматинового веретена деления, синтез АТ,
рост биомассы клетки.
Различают три периода интерфазы
1 пресинтетический – клетки растут, синтезируют РНК, белки, АТФ,
но синтез ДНК не происходит, клетка содержит диплоидный набор (2п)
хромосом (каждая хромосома состоит из 1-ой хроматиды);
2 синтетический – в клетках идет синтез ДНК, каждая хромосома
достраивает недостающую хроматиду (количество хромосом 2п);
3 постсинтетический, или предмитотический – в клетке
синтезируются белки митотического аппарата, удваиваются центриоли,
накапливается энергия (количество хромосом 2п)
Далее следует деление клетки, которое может быть непрямым (митоз) и
прямым (амитоз).
Митоз – способ деления, при котором каждая дочерняя клетка
получает такие и столько хромосом, какие и сколько было у материнской
клетки.
Профаза – увеличивается объем ядра и клетки. Функциональная
активность прекращается. Центриоли расходятся к полюсам. Хромосомы
спирализируются, утолщаются и укорачиваются, в результате чего
считывание генетической информации с молекул ДНК становится
невозможным. В конце профазы ядерная оболочка распадается и хромосомы
беспорядочно рассеиваются в цитоплазме.
Метафаза – спирализация хромосом достигает максимума, они
располагаются по экватору (хромосома состоит из 2-х хроматид,
соединенных только в области центромеры, к которым подходят нити
веретена деления).
Анафаза – каждая хромосома распадается на две хроматиды (они
называются дочерними хромосомами). Каждая хроматида (дочерня
хромосома) расходится к полюсам клетки.
Телофаза – хромосомы раскручиваются, деспирализуются. Образуется
ядерная оболочка из мембранных структур клетки. Образуется перетяжка, и
получаются две дочерние клетки с 2п хромосомами.
Митоз обеспечивает эмбриональное развитие, рост, поддержание
структурной целостности тканей при постоянной гибели клеток в процессе
их функционирования, восстановление органов и тканей при постоянной
гибели клеток в процессе их функционирования, восстановление органов и
тканей после повреждения; обеспечивает бесполое и вегетативное
размножение организмов.
Мейоз – особая форма деления, в результате которого клетки из
диплоидного состояния переходят в гаплоидное, что необходимо для
восстановления при копуляции диплоидного набора хромосом.
У высших растений у мхов и папоротников с помощью мейоза
образуются споры, а у животных гаметы (мужские половые клетки в
семенниках в процессе сперматогенеза, женские клетки в яичниках в
процессе оогенеза).
Фазы мейоза те же, что и при митозе. Перед первым делением мейоза
происходит синтез ДНК, удвоение хромосом, т.е. образование хроматид.
Первое деление мейоза
Профаза – спирализация хромосом; конъюгация, в ходе которой
хромосомы каждой пары (гомологичные) соединяются по всей длине и
скручиваются, в это время некоторые гомологичные хромосомы
обмениваются участками – генами (этот процесс называется кроссинговер),
а, следовательно, наследственной информацией, и расходятся; образуется
веретено деления.
Метафаза – хромосомы располагаются в плоскости экватора.
Анафаза – к полюсам клетки отходят целые хромосомы (каждая
состоит из двух хроматид).
Телофаза – образуются две клетки с гаплоидным набором
гомологичных хромосом (каждая состоит из двух хроматид).
Второе деление мейоза (перед профазой синтез ДНК не происходит)
идет по схеме митоза.
Профаза – короткая.
Метафаза – хромосомы располагаются в плоскости экватора и
прикрепляются к нитям веретена деления.
Анафаза – хроматиды расходятся к полюсам клетки, и в каждой
дочерней клетке оказывается по одной дочерней хромосоме.
Телофаза – из двух клеток образуется 4 клетки с гаплоидным набором
гомологичных хромосом.
Амитоз (в природе встречается редко). Вначале делится ядро на две
или несколько частей без спирализации хромосом. Далее перешнуровывается
цитоплазма и образуется несколько новых клеток. Делятся простейшие,
одноклеточные растения и некоторые клетки многоклеточных (клетки
эпителия печени).
Формы размножения организмов
Бесполое размножение: в размножении участвуют одна родительская
особь, которая может делиться, почковаться, или образовывать споры.
 Делением - размножаются бактерии, одноклеточные водоросли,
простейшие, при этом их тело делится пополам.
 Почкованием – размножаются дрожжи, гидроидные полипы и
некоторые другие беспозвоночные животные.
 Спорами – особыми клетками, возникающими в результате
митоза; они покрыты плотной оболочкой, спорообразование
характерно для многих растений, грибов, а также встречается у
некоторых животных.
 Вегетативное – один из способов бесполого размножения,
широко распространено в природе и в практике сельского
хозяйства.
При бесполом размножении образуется две или более дочерних особей,
наследственные признаки у них такие же, как и у родительской особи.
Половое размножение - в этом процессе участвуют две особи:
мужская и женская, образуются половые клетки – гаметы: сперматозоиды и
яйцеклетки; оплодотворенная яйцеклетка называется зиготой.
Значение: создается возможность наследования признаков обоих
родителей, перекомбинации этих признаков, поэтому потомство может быть
более жизнеспособным, чем каждая из родительских особей, в потомстве
наблюдается большая изменчивость.
Индивидуальное развитие организмов (онтогенез)
Процесс индивидуального развития особи с момента образования
зиготы до конца жизни организма носит название – онтогенеза. Зигота
образуется в процессе оплодотворения – слияния мужской и женской
половых клеток.
I период включает
 дробление – зигота претерпевает ряд митотических делений
(клетки быстро делятся, но не растут; деления чередуются:
клетки делятся сначала в продольном направлении, а затем в
поперечном, образуются 2, 4, 8, 16, 32, и т. д.); яйцо, имеющее
небольшое количество желтка, подвергается дроблению
полностью; у рыб, пресмыкающихся, птиц дроблению
подвергается только зародышевый диск;
 стадия бластулы: дробление заканчивается образованием
небольшого полого пузырька, стенка которого состоит из одного
слоя клеток.
 образование гаструлы: продолжается митотическое деление
клеток; внутрь полости бластулы погружается стенка –
образуется двухслойный мешок – гаструла; тело зародыша
состоит из эктодермы и энтодермы (2 зародышевых листков);
образуется мезодерма: средний зародышевый листок; происходит
обособление хорды, формирование кишечника, развитие
центральной нервной системы; в конце гаструляции клетки
эктодермы (перед отверстием первичного рта) быстро делятся и
образуют нервную пластинку, которая тянется по всей спинной
стороне зародыша; центральная часть пластинки образует
нервный желобок, из которого формируется нервная трубка;
II период включает
Постэмбриональное развитие (послезародышевое) – развитие от
момента выхода организма из яйцевых оболочек или с момента рождения.
Постэмбриональное развитие организма может быть:
 прямое, когда родившийся организм сходен со взрослым
(пиявки, многоножки, пауки, большинство позвоночных);
 непрямое, когда вначале появляется личинка, не похожая на
взрослый организм (у кишечнополостных, например у медуз;
плоских и многощетинковых червей; ракообразных;
насекомых; у позвоночных у амфибий);
 непрямое развитие бывает с неполным превращением (яйцо,
личинка, взрослое животное) или с полным превращением
(яйцо, личинка, куколка, взрослое животное).
Значение: личинки и взрослые организмы, как правило, живут в разных
средах обитания и не конкурируют за место и пищу; личинки способствуют
распространению вида (беззубки, перловицы и др.)
Тема 5. Обмен веществ и энергии клетки
Совокупность химических реакций биосинтеза (ассимиляция) и
распада (диссимиляция), лежащих в основе жизнедеятельности организма и
обеспечивающих его взаимосвязь со средой обитания, называется обменом
веществ. Обмен веществ базируется на процессах пластического и
энергетического обмена, направленных на непрерывное обновление живого.
Пластический обмен, или ассимиляция,— это совокупность реакций
синтеза, направленных на образование структурных частей клеток и тканей.
К нему относятся биосинтез белка, фотосинтез, синтез жиров и углеводов.
Биосинтез белка — одно из наиболее важных и характерных свойств
живой клетки. Первичная структура белка, как уже отмечалось,
предопределяется генетическим кодом, заложенным в молекуле ДНК,
причем различные ее участки кодируют синтез разных белков.
Следовательно, одна молекула ДНК хранит информацию о структуре многих
белков. Свойства белка зависят от последовательности расположения
аминокислот в полипептидной цепи. В свою очередь чередование
аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК. В
иРНК каждой аминокислоте соответствует определенный триплет — группа,
состоящая из трех нуклеотидов, называемая кодоном.
Биосинтез белка начинается в ядре со списывания информации о
структуре белковой молекулы с ДНК на иРНК по принципу
комплементарности. Данный процесс протекает как реакция матричного
синтеза и называется транскрипцией. Образующаяся при этом иРНК
поступает в цитоплазму, где на нее нанизываются рибосомы. Одновременно
в цитоплазме с помощью ферментов активизируется тРНК, молекула тРНК
напоминает по структуре лист клевера, на вершине которого находится
триплет нуклеотидов, соответствующий по коду определенной аминокислоте
(антикодон), а основание («черешок») служит местом присоединения этой
аминокислоты. Транспортная РНК доставляет аминокислоты к рибосомам.
По принципу комплементарности антикодон связывается со своим кодоном,
причем аминокислота располагается у активного центра рибосомы и с
помощью ферментов соединяется с ранее поступившими аминокислотами.
Затем тРНК освобождается от аминокислоты, а молекула иРНК продвигается
вперед на один триплет, и процесс повторяется. Так постепенно
наращивается белковая цепочка, в которой аминокислоты располагаются в
строгом соответствии с локализацией кодирующих их триплетов в молекуле
иРНК. Синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК называется
трансляцией.
В клетках растительных и животных организмов белки непрерывно
обновляются. Интенсивность синтеза тех или иных специфических белков
определяется активностью соответствующих генов, с которых «считывается»
иРНК. Следует отметить, что не все гены функционируют одновременно:
активность проявляют лишь те, которые кодируют информацию о структуре
белков, необходимых для жизнедеятельности организма в данный момент.
Биосинтез белка зависит также от активности ферментов, катализирующих
процессы транскрипции и трансляции, от наличия свободной энергии в виде
АТФ, аминокислот и других факторов.
Фотосинтез – процесс превращения энергии солнечного света в
энергию химических связей, протекающий в зеленых листьях растений. Это
происходит благодаря наличию в хлоропластах фотосинтезирующих
пигментов – хлорофилла и каротиноидов (каротин, ксантофилл). В
частности, являясь высокоактивным веществом, хлорофилл осуществляет
поглощение света, первичное запасание энергии солнца и дальнейшее ее
преобразование в химическую энергию. Суммарно процесс фотосинтеза
можно записать в следующем виде:
6СО2+6Н2О→С6Н12О6+6О2
Световая фаза начинается с поглощения кванта света молекулой
хлорофилла. При этом один из электронов молекулы переходит в
«возбужденное» состояние, перескакивает на более высокую орбиту, где
присоединяется к иону водорода (Н+) и восстанавливает его до протона (Н).
Последний соединяется с никотинамидадениндинуклеотидфосфатом (НАДФ)
– переносчиком водорода и восстанавливает его до НАДФ Н2 . Происходит
процесс разложения воды под влиянием света (фотолиз). Ион гидроксила
(ОН-) отдает свой электрон и превращается в радикал (ОН), который
соединяясь с другими радикалами, образует воду и свободный кислород.
Электрон от гидроксила возвращается в молекулу хлорофилла и заполняет
место ушедшего электрона. При этом выделяется энергия для синтеза АТФ.
Таким образом, результатом световой фазы фотосинтеза является
образование АТФ, выделение кислорода и восстановление НАДФ до НАДФ
Н2.
В период темновой фазы фотосинтеза происходят сложные
ферментативные реакции, в основе которых лежит восстановление молекул
углекислого газа до органических соединений, осуществляемое при участии
продуктов световых реакций. Это происходит следующим образом.
Углекислый газ, поступая из атмосферы в лист через устьица, связывается
особым веществом – акцептором (например, пятиуглеродным сахаром –
рибулозодифосфатом), и в результате образуется нестойкое вещество,
распадающееся на две молекулы фосфороглицериновой кислоты. Последняя
восстанавливается с помощью продуктов световых реакций – НАДФ · Н2 и
АТФ. В конечном итоге через ряд промежуточных соединений образуются
углеводы (моно-, ди- и полисахариды) и другие органические соединения
(белки, жиры, органические кислоты).
Урожайность растений в значительной степени зависит от
продуктивности фотосинтеза, которая обуславливается влиянием комплекса
внешних и внутренних (генетические особенности растения) факторов.
Оптимальными условиями для фотосинтеза являются:
 достаточная освещенность, достигаемая при определенной
густоте посева (следует учитывать разницу в потреблении света
светолюбивыми и тенелюбивыми растениями);
 достаточная увлажненность почвы, зависящая от правильного
орошения полей, потребности растений во влаге;
 нормальное содержание углекислого газа в воздухе (увеличение
его концентрации нарушает процесс дыхания);
 достаточное минеральное питание растений, обеспечивающее
наилучший ход обменных реакций.
Зная пути повышения продуктивности фотосинтеза, можно увеличить
урожайность культурных растений.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН. ЗНАЧЕНИЕ АТФ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ОБМЕНЕ
Энергетический обмен — совокупность химических реакций
расщепления сложных органических веществ до менее сложных (вплоть до
диоксида углерода и воды), сопровождающихся освобождением энергии. Все
реакции катализируются многочисленными ферментами.
Энергетический обмен — сложный многоступенчатый процесс.
Этапы энергетического обмена
Подготовительный этап
Белки превращаются в аминокислоты, крахмал — в глюкозу, жиры — в
глицерин и жирные кислоты; энергетический эффект небольшой (вся энергия
рассеивается в виде теплоты).
Гликолиз, или этап бескислородного расщепления (идет в
цитоплазме клетки). Это сложный многоступенчатый процесс, конвейер
следующих друг за другом химических реакций, протекающих без участия
кислорода; его можно представить следующим суммарным уравнением:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 ®2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О
глюкоза
молочная кислота
В итоге из 1 молекулы 6-углеродной глюкозы образуется 2 молекулы 3углеродной молочной кислоты. В результате каждой реакции освобождается
небольшое количество энергии, а в сумме получается внушительное
количество (200 кДж/ моль): 60% рассеивается в виде теплоты, 40%
сберегается в виде АТФ.
Гликолиз происходит во всех животных клетках и в клетках некоторых
микроорганизмов. Гликолизу тождественно брожение, вызываемое
молочнокислыми грибками и бактериями.
Дыхание, или кислородное расщепление (идет в митохондриях).
Молочная кислота проникает в митохондрии и взаимодействует с
водой: образуется 3 молекулы диоксида углерода и 12 атомов водорода
С3Н6О3 + ЗН2О ®3 СО2 + 12Н
Далее диоксид углерода через мембрану митохондрии удаляется в
окружающую среду; атомы водорода переносятся на мембрану митохондрии,
где под влиянием ферментов теряют электроны, т.е. окисляются. Электроны
и катионы водорода (протоны) переплавляются молекулами-переносчиками:
электроны — на внутреннюю сторону мембраны, где они взаимодействуют с
кислородом (молекула кислорода присоединяет электрон и превращается в
анион); катионы водорода транспортируются на наружную сторону
мембраны; в результате по обе стороны мембраны растет разность
потенциалов.
В некоторые участки мембраны встроены молекулы фермента,
синтезирующего АТФ. В них имеются каналы, через которые могут пройти
катионы водорода при большой разности потенциалов. Проникнув на
внутреннюю сторону мембраны, катионы водорода взаимодействуют с
анионами кислорода (образуются 2 молекулы воды и 1 молекула кислорода).
Уравнение кислородного расщепления:
2С3Н6О3 + 6О2 + 36АДФ + 36Н3РО4®36АТФ + 6СО2 + 42Н2О
Кислородный процесс в 20 раз эффективнее, чем бескислородный.
В итоге бескислородного и кислородного этапов образуется 38 молекул
АТФ (2 молекулы + 36 молекул). В течение суток в теле человека
синтезируется (и расходуется) более 60 кг АТФ.
Кислородное расщепление, или дыхание, можно сравнить с горением.
Черты сходства: происходит поглощение кислорода, выделение диоксида
углерода и воды. Различие: дыхание — высокоупорядоченный многоэтапный
процесс, происходит благодаря ферментам при сравнительно низкой
температуре; при дыхании главная часть энергии переходит в химическую
энергию универсального вещества АТФ; горение происходит при высокой
температуре, и вся энергия превращается в тепловую.
Значение
АТФ
в
энергетическом
обмене.
АТФ
(аденозинтрифосфорная кислота) по химической структуре — нуклеотид;
состоит из пуринового основания аденина, углевода рибозы и трех остатков
фосфорной кислоты. Основная особенность этой молекулы — наличие двух
фосфатных связей, энергия которых в значительной степени превышает
энергию любых других химических связей, эти связи называются
макроэргическими.
Отщепление одного остатка от молекулы АТФ сопровождается
освобождением значительного количества энергии, образованием АДФ и
органического фосфата:
АТФ ®АДФ + Ф + Е
АТФ принадлежит центральная роль в энергетическом обмене клетки
(источник энергообеспечения любой клеточной функции).
Запас АТФ в организме небольшой. Так, в мышце запаса АТФ хватает
на 20-30 сокращений. Происходит непрерывный синтез АТФ. Для
восполнения её необходима энергия, которая освобождается в результате
расщепления органических веществ (бескислородный и кислородный этапы
энергетического обмена).
Тема 6. Основы генетики.
Генетика –
наука о наследственности и изменчивости живых
организмов. Рождение генетики как науки принято относить к 1900 г., когда
Х. Де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак вторично открыли законы Г. Менделя,
описанные им в 1865 г.
Наследственность – свойство организмов обеспечивать материальную
и функциональную преемственность между поколениями. Наследственность
реализуется в процессе наследования или воспроизведения в ряду поколений
специфического характера обмена веществ и индивидуального развития в
определенных условиях внешней среды. Материальной основой ее при
бесполом размножении являются соматические клетки, при половом гаметы
(яйцеклетки,
сперматозоиды).
Наследственные
факторы
локализуются в хромосомах ядра, в некоторых органоидах цитоплазмы (в
митохондриях, пластидах) и называются генами. В 1928 г. Н. К. Кольцов
(1872-1940) развил концепцию о молекулярном строении хромосом и
химической природе гена, предвосхитил главные положения современной
молекулярной генетики.
Ген – это функционально неделимая единица генетического материала,
представляющая собой участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов – РНК),
кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной
или рибосомальной РНК.
Каждый ген, контролирующий проявление того или иного признака,
всегда парный (один из них поступает от матери, второй - от отца). Пара
генов, расположенных в одинаковых участках (локусах) парных
(гомологичных) хромосом и определяющих контрастные (альтернативные)
признаки, называется аллельными генами. Альтернативный признак,
проявляющийся у гибридов в первом поколении, - доминантный, не
проявляющийся (подавленный) – рецессивный, а гены, контролирующие эти
признаки, соответственно доминантные и рецессивные.
Аллельные гены принято обозначать одинаковыми буквами латинского
алфавита: доминантный – прописной буквой ( например, А), рецессивный –
такой же строчной (а). Организмы с одинаковыми аллелями одного гена, к
примеру, обе аллели доминантные (АА) или обе рецессивные (аа), называют
соответственно гомозиготными или гомозиготами. Организмы, имеющие
разные аллели одного гена – одну доминантную, другую – рецессивную (Аа),
называют гетерозиготными или гетерозиготами. В результате мейоза
гомологичные хромосомы,а с ними и аллельные гены расходятся в разные
гаметы. Поскольку у гомозиготы обе аллели одинаковые, она образует один
тип гамет. Гетерозиготная особь образует два типа гамет – один с
доминантным, другой с рецессивным геном.
Совокупность генов клетки или организма, обусловливающих его
развитие, называют генотипом. Генотип является не механическим набором
независимо функционирующих генов, а единой их системой. Комплекс
признаков и свойств организма, формирующихся в процессе взаимодействия
генотипа с внешней средой, называются фенотипом.
Изменчивость – свойство живых организмов изменяться под влиянием
факторов среды в результате приобретения новых или утраты имеющихся
признаков. Изменчивость отражает нестабильность наследственных свойств
организма и является одним из важнейших факторов эволюции,
обеспечивающих приспособленность популяций и видов к изменяющимся
условиям существования.
Материальные основы наследственности и изменчивости организмов
на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях
организации живого являются предметом генетики.
Перед генетикой как наукой стоят следующие задачи:
1) изучение проблем хранения генетической информации, то есть
определение структур клетки, являющихся материальным субстантом
генетической информации, и способов ее кодирования;
2) выяснение механизмов и закономерностей передачи генетической
информации от клетки к клетке, от поколения к поколению;
3)анализ способов реализации генетической информации в конкретные
признаки организма при его взаимодействии со средой;
4) изучение типов изменения генетической информации и механизмов
ее возникновения. Эти задачи решаются различными методами.
Материальные основы наследственности (хромосомы) изучают с
помощью цитологического метода. Анализ закономерностей наследования
отдельных свойств и признаков организма при половом размножении, а
также изменчивости генов и их комбинаторики проводят гибридологическим
методом, разработанным Г. Менделем. Мендель изучал наследование
отдельных пар признаков в потомстве, полученным при скрещивании
родительских особей, отличающихся по одной или двум парам
альтернативных признаков. Он предложил соблюдать следующие условия:
1) в каждом поколении вести учет отдельно по каждой паре
альтернативных признаков без учета других различий скрещиваемых
организмов;
2) проводить количественный
учет гибридных организмов,
отличающихся по отдельным парам альтернативных признаков, в
ряду последовательных поколений;
3) осуществлять индивидуальный анализ потомства от каждого
гибридного организма.
Сочетание гибридологического метода с цитологическим составляет
самостоятельный метод – цитогенетический.. Он дает возможность изучать
кариотип человека, выявлять изменения в строении и количестве хромосом.
Действие генов в процессе индивидуального развития исследуют
онтогенетическим методом. В сочетании с биохимическим этот метод
позволяет установить носительство рецессивных генов в гетерозиготном
состоянии по фенотипу.
Количественный
учет
наследования
признаков
проводят
математическим методом. Частоту встречаемости различных генов в
популяции определяют популяционностатистическим методом. По
родословной высокопродуктивных животных, а также человека
устанавливают типы наследования признаков в различных поколениях
(генеалогический метод). Близнецовый метод основан на изучении
близнецов с одинаковым генотипами и позволяет выяснять влияние среды на
формирование признаков.
Закономерности наследственности. Основные закономерности
наследования признаков были открыты Г. Менделем. Скрещивание, в
котором родительские особи анализируются по одной паре альтернативных
признаков, называется моногибридными, по двум – дигибридным, по многим
альтернативным признакам - полигибридным. Опыт по скрещиванию
записывают в виде схем. Причем родительские особи обозначаются буквой
Р, особи первого поколения – F1, второго поколения – F2 и т.д.; скрещивание
– знаком умножения (x); генотип материнской особи записывают первым, а
отцовский вторым; в первой строке располагают генотипы родителей, во
второй типы их гамет, в третьей – генотипы гибридов первого поколения.
Для опытов Мендель брал горох, различающийся по цвету семян
(желтые и зеленые). В результате скрещивания гомозиготных желтых (АА)
особей с зелеными (аа) каждый родитель образует по одному типу гамет «А»
и «а», которые дают гибриды с одинаковым генотипом, причем из пары
альтернативных признаков развивается только один (доминантный), а второй
(рецессивный) подавляется. Исходя из этих данных, Мендель сформулировал
первый закон — закон доминирования, или закон единообразия гибридов
первого поколения: при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся
друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все гибриды первого
поколения однообразны как по генотипу, так и по фенотипу. По генотипу
они гетерозиготны, а по фенотипу несут доминантный признак.
Опыты также показали, что каждая гибридная особь может образовать
два типа гамет, которые вследствие скрещивания друг с другом могут дать
особи как с доминантными (75 %), так и с рецессивными (25 %) признаками.
Таким образом, по фенотипу получается расщепление 3:1, а по генотипу—
1АА:2Аа:1аа
Исходя из результатов второго скрещивания, Мендель открыл второй
закон — закон расщепления: при скрещивании двух гетерозиготных особей,
т. е. гибридов, анализируемых по одной альтернативной паре признаков, в
потомстве происходит расщепление по фенотипу в соотношении 3:1 и по
генотипу 1:2: 1.
Для объяснения закономерностей, вытекающих из второго закона
Менделя, У. Бэтсон в 1902 г. сделал обобщение, вошедшее в генетику под
названием закона чистоты гамет: гены в гаметах у гибридных особей не
гибридны, а чисты.
Законы Менделя и закон чистоты гамет с цитологической точки зрения
можно объяснить тем, что у гибридов каждая пара аллельных генов
находится в идентичных локусах гомологичных хромосом, одна из которых
— материнская, а другая — отцовская. При гаметогенсзе вследствие мейоза
гомологичные хромосомы расходятся в разные гаметы, причем в каждой
гамете из пары располагается только одна хромосома с одним аллельным
геном в «чистом» виде. В результате оплодотворения мужские и женские
гаметы обоих типов могут соединяться с равной вероятностью, после чего и
осуществляется расщепление по генотипу в соотношении 1АА:2Аа : 1аа.
В некоторых случаях при гибридологическом анализе приходится
выяснять генотип неизвестного гибридного организма. Для этих целей
применяется так называемое анализирующее скрещивание — скрещивание
гибридной особи, генотип которой неизвестен, с «анализатором»
(гомозиготной по рецессивным аллелям особью). Если гибрид гетерозиготен
по анализируемой паре аллельных генов (Аа), то он образует два типа гамет,
а рецессивный «анализатор» (аа) — один тип гамет, в результате у гибридов
произойдет расщепление потомства по анализируемому признаку в
соотношении 1 : 1 (50 % особей с доминантным признаком и 50 % —с
рецессивным). Если же гибрид гомозиготен по анализируемому признаку
(АА), то он, как и рецессивный «анализатор», образует один тип гамет. Все
гибриды вследствие проявления доминантного гена будут однообразными по
фенотипу и гетерозиготными по генотипу. Анализирующее скрещивание
применяется в селекции для проверки генотипа организма по изучаемой паре
аллелей из любого поколения или для установления генотипа организма
неизвестного происхождения.
Следует отметить, что в некоторых случаях первый закон Менделя не
проявляется, поскольку ряд признаков у растений и животных наследуется не
по доминантному, а по промежуточному типу (неполное доминирование —
результат взаимного влияния генов одной аллельной пары). Например, при
скрещивании гомозиготных растений ночной красавицы с белыми цветками
(аа) и таких же растений с красными цветками (АА) гибриды первого
поколения наследуют не красную (доминантную) окраску цветков, а розовую
— промежуточную (Аа). После скрещивания этих гибридов между собой во
втором поколении происходит расщепление окраски цветков по фенотипу и
генотипу в соотношении 1:2:1, т. е. появляется 25 % красных (АА), 50 %
розовых (Аа) и 25 % белых (аа) цветков. Таким образом, промежуточный
характер наследования не противоречит закону расщепления.
Для дигибридного скрещивания Мендель брал гомозиготные растения
гороха, отличающиеся по двум признакам. У материнских растений семена
были гладкие желтые, у отцовских — морщинистые зеленые. После их
скрещивания семена у гибридов первого поколения оказались желтые
гладкие. Следовательно, у них гладкая форма семени (В) доминирует над
морщинистой (Ь), а желтая окраска (А) — над зеленой (а). Поскольку гены
формы семян и их окраски располагаются в разных парах гомологичных
хромосом и проявляются разными признаками, они получили название
неаллельных генов. При скрещивании дигетерозиготных гибридов (АаВЬ)
между собой каждый из них может образовать четыре типа гамет — АВ, АЬ,
аВ, аЬ. При равновероятном их слиянии во втором поколении образуется 16
вариантов генотипов.
Английский генетик Р. Пеннет (1906) для удобства учета предложил
записывать образующиеся генотипы в виде решетки. Фенотипически это
расщепление по форме и цвету дает 9 гладких желтых семян, 3 гладких
зеленых, 3 морщинистых желтых и 1 морщинистое зеленое семя
(соотношение 9:3:3:1).
Таким образом, проанализировав наследование признаков у гибридов
второго поколения, Мендель установил, что форма горошин не зависит от их
окраски, т. е. расщепление по каждому признаку (по каждой аллельной паре)
происходит независимо от другого признака (других аллельных генов) в
соотношении 3:1. Это третий закон Менделя, или закон независимого
наследования признаков: при скрещивании гомозиготных особей,
отличающихся двумя (или более) парами признаков, во втором поколении
наблюдается независимое наследование и комбинирование признаков в
сочетаниях, не свойственных родительским и прародительским особям.
Цитологическими основами третьего закона Менделя являются
свободное расхождение и независимое комбинирование отцовских и
материнских хромосом в мейозе при образовании гамет гибридами. Поэтому
гибриды первого поколения (АаВЬ) могут образовывать с одинаковой
вероятностью четыре типа гамет (АВ, АЬ, аВ, аЬ). При оплодотворении
гаметы соединяются также по правилам случайных сочетаний с равной
вероятностью для каждой, благодаря чему во втором поколении возникают
все возможные типы зигот в таком же соотношении, как и при скрещивании.
Для
объяснения
открытых
законов
Мендель
использовал
математические методы исходя из теории вероятности. Он полагал, что
гаметы при оплодотворении сливаются друг с другом в зиготу по законам
случая. Характер наследования признаков у гибридов зависит от воздействия
множества факторов внешней и внутренней среды. Так, если в основе
расщепления лежат биологические механизмы (мейоз), то конечный
результат (количество особей, особенности их генотипов, фенотипов и т .д.)
определяется суммарным воздействием многих непредвиденных внутренних
и внешних факторов и носит случайный или статистический характер.
Хромосомная теория наследственности
Хромосомная теория наследственности — это учение о локализации
наследственных факторов (генов) в хромосомах клеток, которое утверждает,
что преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется
преемственностью их хромосом.
Хромосомная теория наследственности была разработана Т. Морганом
с сотрудниками в начале 20 в. и нашла подтверждение при изучении
генетических механизмов определения пола у животных.
Пол — это совокупность морфологических и физиологических
признаков организма, обеспечивающих его половое размножение и передачу
наследственной информации за счет образования гамет. Особи мужского и
женского пола различаются хромосомным набором в гаметах. Например, у
самок некоторых видов (дрозофила, человек) все хромосомы парные, а у
самцов — две непарные, причем одна из них такая же, как и у самки.
Хромосомы, по которым различаются особи мужского и женского пола,
получили название половых хромосом: парная хромосома обозначается
буквой X, непарная — буквой У. Хромосомы, по которым мужской и
женский пол не различаются, называются аутосомами (А). Например, у
человека из 23 пар хромосом 22 пары являются аутосомами и лишь 1 пара —
половыми хромосомами. Хромосомный набор женщины можно записать так:
44А + ХХ, мужчины — 44А + ХУ. У дрозофилы хромосомный набор самки
составляет 6А + ХХ, у самца — 6А + ХУ.
Пол, контролируемый одинаковыми половыми хромосомами,
производит один тип гамет (с Х-хромосомой) и называется гомогаметным.
Противоположный пол, контролируемый разными хромосомами, производит
два типа гамет (с Х- и У-хромосомой) и называется гетерогаметным. У
дрозофилы, млекопитающих и других гомогаметен женский пол, а
гетерогаметен — мужской; у птиц, бабочек — наоборот. В таком случае
женская хромосома обозначается буквой W, а мужская — буквой Z. Пол
наследуется как типичный менделирующий признак.
Половые хромосомы, помимо генов, определяющих пол, несут гены, не
имеющие к нему никакого отношения. Признаки, наследуемые через
половые хромосомы, получили название сцепленных с полом. У человека
признаки, наследуемые через У-хромосому, могут быть только у лиц
мужского пола, а через Х-хромосому — у лиц обоих полов. Особь женского
пола по генам Х-хромосомы может быть как гомо-, так и гетерозиготной.
Рецессивные аллели у нее проявляются только в гомозиготном состоянии. У
мужчин гены Х-хромосомы могут проявляться и в рецессивном состоянии.
При записи передачи признаков, сцепленных с полом, в генетических
формулах наряду с символами генов, контролирующих эти признаки,
записывают и половые хромосомы, в которых они локализованы. У человека
сцеплены с полом такие признаки, как гемофилия (несвертываемость крови),
дальтонизм (красно-зеленая слепота) и др.
Гены сцеплены не только в половых хромосомах, но и в аутосомах.
Поэтому еще одним доказательством хромосомной теории наследственности
послужило изучение Т. Морганом сцепленного наследования генов в
аутосомах.
По третьему закону Менделя, независимое комбинирование признаков
может быть при условии, если гены, контролирующие эти признаки,
находятся в разных парах гомологичных хромосом. Следовательно, у
каждого организма число пар признаков, которые могут наследоваться
независимо, ограничено числом пар хромосом. Однако в одном организме
число признаков, контролируемых генами, значительно больше числа пар
хромосом, имеющихся в его кариотипе, следовательно, в каждой хромосоме
находится не один ген, а много. Если это действительно так, то третий закон
Менделя касается лишь свободного комбинирования хромосом, а не генов.
Анализ проявления третьего закона Менделя показал, что в некоторых
случаях новые комбинации генов у гибридов совсем отсутствовали, т.е.
наблюдалось полное сцепление между генами родительских форм, и тогда в
фенотипе происходило расщепление 1:1. Иногда при независимом
наследовании комбинации признаков совершаются с меньшей, чем это
должно было быть, частотой.
Т. Морган назвал совместное наследование генов, расположенных в
одной хромосоме, сцеплением генов. Гены, локализованные в одной
хромосоме, располагаются последовательно друг за другом (линейно) и
образуют группу сцепления. У каждого вида организмов число их равно
гаплоидному набору хромосом. Установлено, что в гомологичной паре
хромосом регулярно происходит обмен генами. Процесс обмена
идентичными участками гомологичных хромосом с содержащимися в них
генами называют перекрестом хромосом или кроссинговером.
Кроссинговер происходит в мейозе и обеспечивает новые сочетания генов в
гомологичных хромосомах. Частота кроссинговера зависит от расстояния
между генами, ее принято выражать в процентах.
Явление кроссинговера, как и сцепление генов, характерно для
животных, растений, микроорганизмов.
Сцепление генов, как и кроссинговер, Т. Морган изучил в опытах на
дрозофиле по наследованию двух пар признаков (серое тело и длинные
крылья, черное тело и рудиментарные крылья), гены которых локализованы в
одной хромосоме. На основании полученных результатов он сформулировал
следующее правило: гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются
сцепленно, причем сила сцепления зависит от расстояния между ними.
В целом в хромосомной теории наследственности можно выделить
следующие положения:
 гены находятся в хромосомах, каждая из которых представляет группу
их сцепления; число групп сцепления у каждого вида организмов равно
гаплоидному числу хромосом;
 в хромосоме каждый ген занимает определенное место (локус), и все
гены в хромосомах расположены линейно;
 между
гомологичными
хромосомами
происходит
перекрест
(кроссинговер) и обмен аллельными генами;
 расстояние между генами в хромосоме пропорционально частоте
перекреста и выражается в процентах кроссинговера между ними.
Генетика как фундаментальная биологическая дисциплина изучает
закономерности наследственности у разных видов, в том числе и у человека.
Наследственность человека подчиняется тем же биологическим
закономерностям, что и наследственность всех живых существ. Ее изучает
специальная наука антропогенетика. Изучение генетики человека затруднено
по ряду причин: малое число потомков, относительно позднее наступление
половой
зрелости,
отсутствие
точной
регистрации
проявления
наследственных признаков, невозможность уравнять условия жизни и т. д.
Тем не менее, в настоящее время имеется ряд методов, позволяющих изучать
наследственность человека. Наследственные болезни человека изучает
медицинская генетика. Установлено, что свыше 5 % детей рождается с
наследственными болезнями, нарушениями в строении тела. При раннем
установлении диагноза в ряде случаев можно предупредить развитие
наследственной болезни, назначив специальную диету и начав
своевременное лечение, в том числе и оперативное. Генетические
исследования показали нежелательность близкородственных браков, так как
при этом возрастает вероятность проявления наследственных заболеваний.
Работники
здравоохранения
должны
принимать
меры
по
предупреждению развития наследственных болезней. Эта задача считается
особо актуальной в современных условиях в связи с загрязнением
окружающей среды радиоактивными веществами, химическими отходами,
которые могут вызывать изменения в наследственном аппарате человека.
Особое значение приобретает борьба с вредными привычками —
курением, употреблением алкоголя, наркотиков, которые даже в
минимальных количествах оказывают пагубное действие на поведение
хромосом в гаметогенезе, на формирование зиготы, развитие зародыша и
вызывают необратимые изменения в его генотипе. Изучение кариотипа
зародыша и плода осуществляют в специально созданных для этой цели
медико-генетических консультациях, где и решают вопросы предупреждения
наследственных заболеваний в семьях с отягощенной наследственностью.
Закономерности изменчивости
Живые организмы в процессе эволюции выработали способность
отвечать морфофизиологическими изменениями на постоянно меняющиеся
факторы среды, так как гены управляют не только передачей признаков, но и
пределами их вариации, что позволяет организму лучше приспосабливаться к
факторам окружающей среды.
Следовательно, изменчивость — это свойство живого изменяться,
выражающееся в способности приобретать новые признаки или утрачивать
прежние.
Различают
два
типа
изменчивости:
фенотипическую
(ненаследственную) и генотипическую (наследственную).
Фенотипическая,
или
модификационная,
изменчивость
представляет собой изменения признаков организма (его фенотипа), не
связанные с изменением генотипа. Ярким примером такой изменчивости
может служить пшеничное поле, которое, с одной стороны, поражает
однотипностью, а с другой — отсутствием одинаковых особей.
Модификационная изменчивость ограничивается так называемой нормой
реакции организма, представляющей степень изменяемости признака и
определяемой генотипом. Норма реакции разных генотипов различна и
зависит от условий среды. Это можно проиллюстрировать следующим
примером. У крупного рогатого скота окраска шерсти не меняется в любых
условиях, т.е. норма реакции по этому признаку постоянна, но по такому
признаку, как молочная продуктивность, варьирует в очень широких
пределах в зависимости от условий кормления и содержания. Норма реакции
имеет большое значение для адаптации организмов к тем или иным
природным условиям и способствует сохранению видов, а также в практике
сельского хозяйства, поскольку определяет степень урожайности злаков,
бобовых, пасленовых и других растений, высокую продуктивность
животных.
Модификационная изменчивость обусловливается передачей не
признака, а способностью организма формировать соответствующий
конкретным условиям фенотип, например растение стрелолист в зависимости
от внешней среды может иметь различной формы листья: стреловидные
(надводные), сердцевидные (плавающие) и лентовидные (подводные).
Следовательно, у него наследственно детерминирована не форма листа, а
способность изменять её в некоторых пределах. Модификационная
изменчивость распространена довольно широко среди живых организмов.
Генотипическая изменчивость подразделяется на мутационную и
комбинативную.
Мутационная изменчивость — это такая изменчивость, при
которой
происходят
скачкообразные,
прерывистые
изменения
наследственного признака (мутации). Иными словами, мутации — это
внезапно возникающие стойкие изменения генетического аппарата,
включающие переход генов из одного аллельного состояния в другое,
изменение их структуры, различные изменения структуры хромосом, их
числа в кариотипе, а также генетических структур цитоплазмы.
Учение о мутациях было заложено в работах X. Де Фриза (1848—
1935). Основные положения этого учения сводятся к следующему:
 мутации возникают внезапно и являются качественными
изменениями;
 новые мутантные формы устойчивы;
 мутации могут быть как полезными, так и вредными;
 одни и те же мутации могут возникать повторно.
Мутации классифицируют по измененным клеткам (генеративные и
соматические); по причине, их вызвавшей (спонтанные и индуцированные);
по
характеру
изменений
в
генотипе
(генные,
хромосомные,
цитоплазматические).
Генеративные мутации возникают в половых клетках. Если
генеративная мутация доминантна, то у организмов новый признак
(свойство) проявляется в первом поколении даже в гетерозиготном
состоянии. Рецессивная мутация проявляется через несколько поколений при
переходе ее в гомозиготное состояние. Примером рецессивной генеративной
мутации может служить наличие гемофилии в отдельных семьях.
Соматические мутации возникают в генотипе клеток тела
(соматических клеток) и обнаруживаются в той его части, которая
развилась из измененных клеток. Для видов, размножающихся половым
путем, данные мутации не имеют принципиального значения, но важны для
видов, размножающихся бесполым путем. Так, у вегетативно
размножающихся плодовых и ягодных растений соматическими мутациями
могут быть растения с новыми признаками. Например, И. В. Мичурин
получил новый сорт яблони Антоновка шестисотграммовая в результате
вегетативного размножения соматической почковой мутации, возникшей у
яблони сорта Антоновка.
Спонтанные мутации встречаются в природе в естественных
условиях без направленного вмешательства человека. У одних видов они
происходят чаще, у других — реже.
Н. И. Вавилов (1887—1943) в результате изучения спонтанных
мутаций у растений различных систематических групп сформулировал закон
гомологических рядов в наследственной изменчивости, который гласит:
«Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами
наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в
пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у
других видов и родов». В качестве примеров, подтверждающих этот закон,
можно назвать случаи альбинизма в ряду позвоночных; группы крови, резусфактор у приматов и человека и т. д. Данный закон позволил по-новому
подойти к пониманию принципов мутации в природе. Оказалось, что
наследственная изменчивость запрограммирована в генотипе, и мутации
считаются случайными, если их рассматривать в отдельности. В целом же
они с точки зрения закона гомологических рядов представляют собой
закономерное явление в системе вида. Мутации, возникающие как бы
случайно в разных направлениях, при их оценке в комплексе дают
возможность вывести общий закон, позволяющий предсказать наличие того
или иного признака у разных родов одного семейства, если хотя бы один из
родов этого семейства имеет данный признак.
Индуцированные мутации происходят в генотипе особи под влиянием
специальных направленных факторов среды, получивших название
мутагенных факторов или мутагенов. Среди них различают физические
(ионизирующее и ультрафиолетовое излучение, температура), химические
(иприт и его производные, аналоги азотистых оснований, акридиновые
красители, побочные и промежуточные продукты химических синтезов, ряд
лекарств) и биологические (некоторые вирусы). Установлено, что мутации
можно вызвать в лабораторных условиях, воздействуя на организм
мутагенами. Мутантные организмы получили, например, Г.А. Надсон и Г.С.
Филиппов (1925) при облучении грибов радием, Г. Мёллер (1927) — при
облучена дрозофилы рентгеновыми лучами. Индуцированные мутации
широко используются в селекционной практике, так как дают широкий
спектр появления новых признаков и служат ценным материалом для
искусственного отбора, так же как спонтанно возникающие мутации —
материалом для естественного отбора.
В связи с развитием научно-технического прогресса во всех областях
народного хозяйства широко применяются химические соединения,
радиоактивные вещества и другие искусственные мутагены. Так, в сельском
хозяйстве используются различные химические соединения в качестве
удобрений, инсектицидов, пестицидов, гербицидов, дефолиантов, которые
далеко не всегда безвредны для человека. Все эти вещества могут вызывать
различные мутации. В связи с этим необходимо усилить контроль за
загрязнением окружающей среды мутагенами и принять конкретные меры по
предупреждению их выброса.
Генные мутации обусловлены изменением структуры самого гена —
выпадением, добавлением или перестановкой пары нуклеотидов в молекуле
ДНК. Такие мутации могут изменять структуру белка фермента, который
кодируется данным геном, изменять его свойства или полностью нарушать
синтез полипептида. Генные мутации встречаются особенно часто. Они
могут быть доминантными и рецессивными, возникать в гаметах и
соматических клетках спонтанно или под воздействием мутагена.
Хромосомные мутации обусловлены изменением структуры или числа
хромосом в кариотипе особи. Структура хромосомы может измениться
вследствие нарушения кроссинговера в мейозе, что выражается утерей части
(фрагмента) хромосомы, удвоением или умножением того или иного ее
фрагмента либо изменением линейного расположения фрагментов
хромосомы в результате их поворота на 180°.
Особый вид хромосомной перестройки представляет перенос
фрагмента одной хромосомы на другую, негомологичную ей хромосому.
Большинство таких мутаций вредно для организма и ведет к снижению его
жизнедеятельности. Мутации, обусловленные изменением числа хромосом,
бывают полиплоидные и гетероплоидные.
Полиплоидия — вид геномной мутации, при которой происходит
увеличение числа наборов хромосом в кариотипе, кратное гаплоидному. Она
возникает при разрушении веретена деления во время митоза или мейоза и
приводит к образованию гамет с набором 2п, Зп, 6п и т. д. Полиплоидия часто
встречается у растений и очень редко у животных (у инфузорий, тутового
шелкопряда, некоторых земноводных). Полиплоиды отличаются крупными
размерами клеток, листьев, цветков, плодов, семян. Большинство культурных
растений является полиплоидами: твердая пшеница имеет 28 (4п) хромосом,
мягкая — 42 (6п) хромосомы, а полудикий вид рода пшеницы однозернянка,
или полба,— 14 (2п) хромосом.
Гетероплоидия — вид геномной мутации, обусловленной избытком
или нехваткой одной хромосомы в паре гомологичных хромосом.
Гетероплоидия происходит вследствие нарушения расхождения хромосом в
мейозе после их конъюгации, что приводит к уменьшению размеров
организма, снижению его плодовитости и т. д. У человека появление лишней
хромосомы или ее нехватка вызывает тяжелые заболевания.
Цитоплазматические мутации — результат изменения ДНК
клеточных органоидов (пластид, митохондрий). Например, пестролистность
у растений вызывают мутации в ДНК хлоропластов. Цитоплазматические
мутации наследуются по материнской линии, так как зигота получает
цитоплазму в основном из яйцеклетки.
Комбинативная изменчивость обусловливается разнообразием
генотипов и обеспечивает появление новых комбинаций признаков в
результате скрещивания. Она наследуется в соответствии с законами Г.
Менделя и правилом Т. Моргана. Играет большую роль в эволюции, так как
дает новые сочетания приспособительных признаков, возникающих при
скрещивании. Комбинативная изменчивость используется в селекции для
улучшения пород животных, сортов растений путем скрещивания.
Тема 7. Основы селекции
Селекция — наука о методах создания новых и улучшения
существующих сортов культурных растений, пород домашних животных и
штаммов микроорганизмов, используемых человеком.
Породой, сортом, штаммом называют популяцию организмов,
искусственно
созданную
человеком
и
имеющую
определенные
наследственные особенности. Все особи внутри породы, сорта или штамма
имеют сходные, наследственно закрепленные свойства, а также однотипную
реакцию на факторы внешней среды. Например, куры породы Леггорн имеют
небольшую массу, но высокую яйценоскость. Штаммы микроорганизмов
способны обеспечить определенный уровень синтеза витаминов,
аминокислот. Для их культивирования необходимы конкретные требования к
составу питательной среды и температуре. Поэтому сорта и породы,
созданные для одной географической зоны, не всегда пригодны для
разведения в других условиях.
Задачи современной селекции — повышение продуктивности сортов
растений, пород домашних животных, штаммов микроорганизмов. В связи
с индустриализацией и механизацией сельского хозяйства селекция
направлена на создание пригодных к машинной уборке короткостебельных
неполегающих сортов злаковых, сортов винограда, томатов, кустов чая,
хлопчатника; выведение сортов овощей для выращивания в теплицах, на
гидропонике; создание пород животных для содержания в крупных
животноводческих комплексах и т. д.
Совершенствование сортов растений, пород животных, штаммов
микроорганизмов невозможно без изучения их происхождения и эволюции.
Н.И. Вавилов и его последователи в результате изучения мировых
растительных ресурсов выделили семь центров происхождения
важнейших культурных растений:
 южно-азиатский — родина риса, сахарного тростника, банана,
кокосовой пальмы, цитрусовых;
 восточно-азиатский — родина проса, гречихи, груши, яблони,
сливы, ряда цитрусовых, корнеплодов;
 юго-западно-азиатский — родина мягкой и карликовой пшеницы,
гороха, чечевицы, конских бобов, хлопчатника, винограда,
тыквенных;
 средиземноморский — родина маслин, свеклы, капусты и др.;
 абиссинский — родина пшеницы, ячменя, кофейного дерева,
сорго, арбуза;
 центральноамериканский — родина кукурузы, фасоли, тыквы,
перца, какао, американского хлопчатника;
 южноамериканский (андийский) — родина картофеля, табака,
ананаса, арахиса.
Подобные центры происхождения выявлены и для домашних
животных.
Первостепенное значение для селекции имеет исходный материал:
его
наследственная
изменчивость,
закономерности
наследования
интересующих признаков, факторы среды, влияющие на формирование этих
признаков, а также формы отбора для их выявления и закрепления.
Исходным материалом могут быть естественные мутации, природные
популяции, искусственные мутанты, особи, претерпевшие комбинативную
изменчивость, а также сорта, породы, созданные в других климатических
регионах
Основными методами селекции считают гибридизацию, отбор и
гетерозис.
Гибридизация — это скрещивание генетически разнородных
организмов.
Если при скрещивании в качестве исходных форм используются
братья и сестры или родители и их потомство, то такая гибридизация
называется близкородственной (инбридинг).
Если же скрещиваются особи одной породы или разных пород
(сортов), то гибридизация называется не родственной (аутбридинг)
Отбор заключается в сохранении человеком для разведения растений
или животных с желаемым признаком Он бывает массовым и
индивидуальным.
Массовый отбор направлен на выделение группы особей с
одинаковым фенотипом, но дающих расщепление при размножении, в связи
с чем его повторяют в ряду поколений. Массовый отбор трудно осуществить,
если признак проявляется; только у представителей одного пола.
Индивидуальный отбор проводят для выделения форм с нужными
признаками и для раздельного выращивания каждой особи. В данном случае
желаемый результат достигается быстрее, чем при массовом отборе. Путем
индивидуального отбора создают сорта (породы), представляющие одну или
несколько чистых линий (у растений — потомство одной самоопыляемой
особи; у животных — потомство одной пары, полученное за счет
инбридинга).
Гетерозис наблюдается при гибридизации неродственных форм
некоторых видов или сортов в виде повышения у гибридов первого
поколения жизнеспособности, роста и других качеств. Скрещивание
гибридов первого поколения между собой ведет к затуханию этого эффекта в
последующих поколениях. Причины появления гетерозиса окончательно не
установлены. По одной гипотезе предполагают, что гетерозис может быть
обусловлен высокой гетерозиготностью гибридов по многим аллелям, в
результате чего признаки выражены лучше, чем у гомозигот.
Согласно другой гипотезе, у гибридов первого поколения
увеличивается количество доминантных генов, контролирующих один и тот
же признак, и их суммарный эффект дает лучший результат. Гетерозис
наблюдается как у растений, так и у животных. При семенном размножении в
последующих поколениях он исчезает, при вегетативном — сохраняется.
Селекция растений
Основная цель селекции растений — выведение новых сортов путем
близкородственной гибридизации, гетерозиса, отдаленной гибридизации,
полиплоидии, искусственного мутагенеза на основе отбора.
Близкородственная
гибридизация
у растений
основана
на
самоопылении перекрестноопыляющихся форм. При этом повышается
гомозиготность особей по изучаемым признакам, которые закрепляются в
последующих поколениях. Потомство, полученное от одной самоопыляемой
особи, называется чистой линией.
При скрещивании чистых линий между собой {межлинейная
гибридизация) наблюдается в первом поколении эффект гетерозиса.
Межлинейная гибридизация позволяет повысить на 20—30 % урожай семян
кукурузы, сахарной свеклы, ряда овощных культур (лук, огурцы, помидоры,
баклажаны, сорго). Эффект гетерозиса можно закрепить у растений при
вегетативном размножении клубнями (картофель), черенками (плодовые
деревья), либо за счет полиплоидии.
Отдаленная гибридизация позволяет сочетать в одном организме
ценные признаки разных видов и родов. Как правило, она осуществляется с
трудом. Отдаленные гибриды обычно бесплодны, так как невозможна
конъюгация негомологичных хромосом в мейозе.
Для преодоления бесплодия у межвидовых гибридов советский генетик
Г.Д. Карпеченко (1924) впервые в мире предложил специальный метод
получения полиплоидов на примере создания межвидового гибрида редьки с
капустой. Каждый из исходных видов имел в диплоидном наборе по 18
хромосом, а в гаплоидных наборах — по 9. Для преодоления бесплодия
гибрида Г. Д. Карпеченко предложил удваивать число хромосом каждого
вида растения и получать тетраплоид, у которого в кариотипе будет 36
хромосом, из них 18 «редечных» и 18 «капустных». Благодаря этому в
мейозе может происходить конъюгация гомологичных хромосом редьки
между собой и капусты между собой. Гибрид редьки с капустой
(рафанобрассика) оказался способным к размножению. Метод Карпеченко
нашел широкое применение в мировой селекционной практике. С его
помощью были получены не существующие в природе межвидовые гибриды
табака, пшеницы, длинноволокнистого хлопчатника и др.
Полиплоидия играет большую роль в создании новых сортов пшеницы,
овса, картофеля, хлопчатника, плодовых декоративных культур. Полиплоиды
экономически выгоднее диплоидных растений, поскольку они более стойки к
неблагоприятным условиям среды. Именно этим объясняется факт
произрастания полиплоидов на севере, высоко в горах.
В настоящее время для получения полиплоидов диплоидные растения
обрабатывают рентгеновыми лучами или радиоактивными элементами,
химическими мутагенами (колхицин и др.), способными разрушать веретено
деления, не препятствуя удвоению хромосом. Воздействием этих веществ на
пыльцу, почки, прорастающие семена удалось получить искусственные
полиплоиды гречихи, пшеницы, хлопчатника, мака, льна, редьки, земляники
и других растений.
Большой вклад в селекцию растений внес И.В. Мичурин (1855—1935).
Для преодоления барьера не скрещиваемости он разработал несколько
методов.
Одним из таких методов является метод ментора (воспитателя),
заключающийся в прививке гибрида на одну из скрещиваемых форм.
Растение, на котором делают прививки, называется подвоем, а прививаемая
часть растения — привоем. При срастании тканей привоя с подвоем в привое
могут меняться некоторые физиологические и морфологические
особенности. С помощью метода ментора был выведен сорт вишни Краса
Севера из владимирской вишни и черешни Винклера, сорта яблок Бельфлеркитайка, Ренет бергамотный и др. Этот метод удобен тем, что с его помощью
можно регулировать соотношение возраста и листвы ментора и гибрида,
продолжительность действия ментора. Большинство сортов, выведенных И.
В. Мичуриным, гетерозиготны по генотипу, поэтому их размножают не
половым путем, а вегетативным. Метод ментора имеет большое значение в
их селекции.
При
методе
вегетативного
сближения
тканей
путем
предварительной прививки одного вида растения на другое изменяется
химический состав тканей подвоя, в том числе и генеративных органов, что
увеличивает вероятность прорастания пыльцевых трубок в пестике и таким
образом способствует скрещиванию видов. И. В. Мичурин прививал черенки
рябины (привой) к кроне груши (подвой). При цветении привоя пыльцу
груши он наносил на кастрированные цветки рябины, а пыльцу рябины на
цветки груши.
Метод посредника направлен на преодоление нескрещиваемости двух
видов с помощью третьего. Так ученый вывел персик, пригодный для
выращивания в средней полосе России. Для этого он сначала скрестил
монгольский миндаль с полукультурным персиком Давида, а затем
полученный гибрид (посредник) — с персиком.
Скрещиваемости видов способствует и метод опыления смесью
пыльцы разных видов. Дело в том, что пыльцевые трубочки с различными
генотипами могут взаимно стимулировать друг друга, создавая в пестике
условия для роста трубок.
И.В. Мичурин показал, что можно управлять доминированием у
некоторых гибридов путем воздействия жесткими условиями на ранних
стадиях их развития. Наибольший эффект он получил при скрещивании
географически отдаленных форм, в результате чего создал сорт Бере зимняя
(гибрид французского сорта груши Бере Рояль с дикой уссурийской грушей),
сеянцы которого воспитывал в средней полосе России. И. В. Мичурин уделял
много внимания акклиматизации южных плодовых растений и продвижению
на север винограда, абрикоса, черешни и др. Он вывел около 300 новых
сортов плодовых растений. Разработанные им методы успешно используются
в селекции других культур.
И.В. Мичурин придавал большое значение многократному и весьма
жесткому отбору. Гибридные семена отбирались по их величине и форме,
гибридные растения — по форме и толщине листовой пластинки и черешка,
форме побега, расположению боковых почек, по зимостойкости, качеству
плода, сопротивляемости к грибковым заболеваниям, вредителям и по
другим признакам.
В целом следует отметить, что достижения селекции растений в СССР
связаны с применением генетических методов в сочетании с методами
селекции.
В
результате
созданы
ценные
сорта
большинства
сельскохозяйственных культур. Так, Н.В. Цицин (1898—1980) с
сотрудниками в результате отдаленной гибридизации и отбора вывели
высокоурожайные (до 70 ц/га) пшенично-пырейные гибриды, устойчивые к
полеганию. Прекрасный сорт озимой пшеницы Безостая I был получен П.П.
Лукьяненко (1901 —1973) путем многоступенчатой гибридизации далеких в
эколого-географическом отношении сортов (Клейн 33, Лютесценс 17 и др.) и
отбора среди расщепляющегося потомства. Под его руководством были
созданы ценные сорта пшеницы Аврора и Кавказ. Вследствие направленного
превращения яровой пшеницы в озимую В.Н. Ремесло (1907—1987) получил
высокоурожайные сорта озимой пшеницы Мироновская-808 и др. Путем
скрещивания пшеницы (2п = 42) и ржи (2п = 14) создан тетраплоид (2п = 56),
названный тритикале. Он хорошо развивается в условиях нечерноземной
полосы, накапливает большое количество белка, устойчив к заболеваниям.
В.С. Пустовойт (1886—1972) вывел сорта подсолнечника (Маяк, Передовик),
содержащие в семенах до 50 % масла. Благодаря районированию этих сортов
страна получает при тех же затратах дополнительные тысячи тонн
подсолнечного масла.
М.И. Хаджинов в 30-х годах открыл явление цитоплазматической
мужской стерильности. На основе гибридизации и отбора растений по
цитоплазматическому фактору были выведены высокоурожайные сорта
кукурузы.
Селекция животных
Селекцией домашних животных люди занимаются с глубокой
древности. Для этой цели использовались дикие по интересующим
признакам. Первоначально этот отбор носил стихийный характер, но затем
его стали проводить методически. Так со временем были сформированы
местные породы животных.
В настоящее время при подборе для селекции исходных пар, кроме
интересующих признаков, учитывают их родословную и экстерьер
(телосложение и соотношение частей тела, связанных с ценными
хозяйственными признаками). Причем наследственную ценность самцов
определяют по признакам, которые проявляются у их потомства
(молочность, жирность молока, яйценоскость и др.).
При учете наследственной изменчивости необходимо помнить, что
животные
размножаются
только
половым
путем;
потомство
немногочисленное и каждая отдельная особь представляет большую
ценность. Для селекции животных используют близкородственное и
неродственное внутривидовое и отдаленное межвидовое скрещивание,
гетерозис.
При
помощи
близкородственного
скрещивания
закрепляют
рецессивные хозяйственно ценные признаки, поскольку при нем
рецессивные мутации, находящиеся в скрытом гетерозиготном состоянии,
переводятся в гомозиготное. Однако это часто приводит к снижению
жизнеспособности, появлению уродств и т. д.
Неродственное скрещивание применяют для объединения в одном
гибридном организме ценных признаков разных пород с целью создать
новую породу. Так, чтобы повысить живую массу кур породы Леггорн, их
скрещивают с породой Плимутрок, преимуществом которой является
большая живая масса. Путем межпородного скрещивания М.Ф. Иванов (1871
—1935) создал высокопродуктивные породы (степная белая украинская
порода свиней, асканийская тонкорунная порода овец). Однако следует
отметить, что при межпородном скрещивании в результате комбинативной
изменчивости появляются гибриды как с лучшим, так и с худшим
сочетанием признаков. Поэтому в данном случае необходимо вести отбор
нужных форм.
Отдаленная гибридизация животных применялась в основном на
раннем этапе их одомашнивания. В настоящее время к ней прибегают редко,
поскольку среди отдельных получаемых таким образом гибридов часто один
пол бывает стерильным. Например, у гибрида яка с крупным рогатым скотом
самки плодовиты, а самцы бесплодны. Н.Н. Бутарин с сотрудниками создали
с помощью этого метода гибрид архаромеринос: скрестили грубошерстных
овец с диким бараном архаром, хорошо приспособленным к высокогорным
пастбищам. В США путем скрещивания крупного рогатого скота с зебу
выведена порода Сантагертруда, обладающая высокими мясными качествами
и приспособленная к засушливым районам.
Гетерозис в селекции животных широко используется для получения
скороспелых свиней, повышения продуктивности крупного рогатого скота и
для других хозяйственных целей. Так, при скрещивании самки лошади с
самцом ослом получается высокогетерозиготный гибрид мул — выносливое
и сильное животное. Обратное скрещивание (самки осла с самцом лошади)
дает лошака, у которого гетерозис полностью отсутствует. Гетерозис
проявляется также при скрещивании двугорбого и одногорбого верблюдов.
Однако закрепить гетерозис у животных невозможно, поэтому практикуют
постоянное скрещивание гибридов попеременно с одной и с другой исходной
формой.
В селекции животных, кроме описанных выше методов, применяют
искусственное осеменение, полиэмбрионию.
При искусственном осеменении сперму самца вводят в половые пути
самки специальными инструментами. С помощью этого метода интенсивно
используют высокоценных самцов для создания крупного рогатого скота,
свиней и других животных с целью улучшить их породные и продуктивные
качества.
Полиэмбриония — это образование нескольких зародышей из одной
зиготы. Искусственные эмбрионы ценных пород крупного рогатого скота
вводятся в матку беспородных животных для дальнейшего развития.
Селекционная работа, позволяет создать много новых пород крупного
рогатого скота, свиней, лошадей, овец, кур, форм норок, песцов, черно-бурых
лисиц и других животных. Значительная селекционная работа ведется и в
заповедниках с целью сохранить исчезающие виды животных, таких, как
зубры, соболи, бобры и др.
Селекция бактерий и грибов
Микроорганизмы играют важную роль в жизни человека, поскольку
способны создавать вещества, необходимые для его жизнедеятельности.
Такими
способностями
обладают
как
прокариотные
(бактерии,
актиномицеты), так и эукариотные (дрожжи, нитчатые грибы)
микроорганизмы.
С древних времен человек использует уксуснокислые бактерии в
производстве уксуса, молочнокислые бактерии — для приготовления
молочнокислых продуктов, пропионовокислые — в сыроделии, а также как
продуценты витаминов и других веществ.
Начиная с 1944 г. актиномицеты активно применяют как продуценты
антибиотиков (стрептомицина, эритромицина, тетрациклина, каномицина и т.
д.); отдельные штаммы дрожжей — в пивоварении, виноделии,
хлебопечении, для получения этилового спирта, а также биомассы (кормовые
дрожжи).
Грибы используют для получения следующих органических кислот:
лимонной — для пищевой промышленности; глюконовой — для введения
кальция в организм человека; итаковой — в производстве пластмасс. Грибы
являются продуцентами ферментов протеаз, многих антибиотиков —
пенициллина, цефалоспорина. Они также используются для приготовления
специальных сыров — рокфора, кананбера.
Применение микрорганизмов в народном хозяйстве и сознательная их
селекция стали возможны только после разработки соответствующих
микроскопических методов, выяснения способов размножения и расселения
микроорганизмов. Огромный вклад в решение этих вопросов внес Луи
Пастер (1822—1895). Его считают основателем научных методов селекции
микробов, базирующейся на применении методического искусственного
отбора и умелом использовании естественного отбора путем создания
условий, в которых отбор действует в желательном направлении.
Дальнейшее совершенствование методов селекции микроорганизмов тесно
связано с достижениями генетики и применением их в селекции.
Природные
штаммы
микроорганизмов,
как
правило,
низкопродуктивны. Поэтому основная задача селекции — получение
высокопродуктивных микроорганизмов с помощью индуцированного
мутагенеза и искусственного отбора. В качестве мутагенов применяют
рентгеновы и ультрафиолетовые лучи, химические вещества. Чередование
обработки мутагенами с отбором позволяет через несколько этапов получить
новый штамм, превосходящий исходный по продуктивности. Таким образом,
выход пенициллина из плесневого гриба удалось повысить в 10 000 108 раз,
рибофлавина из дрожжевого гриба — в 20 000, а витамина В12 у двух видов
бактерий — в 5000 раз по сравнению с исходными штаммами.
Использование человеком биохимических и генетических свойств
живых организмов в практических целях обусловило появление нового
направления в биологии— биотехнологии, которая представляет собой
совокупность промышленных методов, основанных на использовании живых
организмов и биологических процессов для производства или модификации
различных продуктов в целях улучшения свойств экономически ценных
видов растений, животных, микроорганизмов. Согласно определению
Европейской федерации по биотехнологии, биотехнология — это
интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных
наук в целях достижения технологического (промышленного) применения
способностей микроорганизмов, культуры клеток ткани и их частей.
Важнейшими разделами биотехнологии являются микробиологическая
промышленность, генная и клеточная инженерия.
Микробиологическая промышленность — новая отрасль, рожденная
научно-технической революцией в 60-е годы 20 в. Она решает важнейшие
народнохозяйственные задачи.
 во-первых,
биотехнология
обеспечивает
животноводство
полноценным кормовым белком,
 во-вторых, с помощью биотехнологии получают и применяют
ферменты. Микроорганизмы служат единственным источником
таких ферментов, как протеаза, амилаза, целлюлаза, пектиназа и
др.
 в-третьих,
с
помощью
биотехнологии
получают
микробиологическую продукцию — аминокислоты, особенно
незаменимые,
антибиотики
и
др.
Современная
микробиологическая промышленность вырабатывает пять групп
антибиотиков (пенициллины, цефалоспорины, тетрациклины,
эритромицины,
стрептомицины)
для
фармацевтической
промышленности и нужд народного хозяйства.
 в-четвертых,
на
основе
биотехнологии
с
помощью
микроорганизмов получают дополнительные источники энергии
в виде биогаза, этанола, водорода за счет использования
микробами отходов промышленности и сельского хозяйства, а
также солнечной энергии. Микроорганизмы применяют при
добыче урана, редких металлов, в том числе золота.
Генная инженерия — это конструирование функционально активных
генетических структур и наследственно измененных микроорганизмов.
Успехи данного прикладного направления биотехнологии базируются на
работах Дж. Уотсона и Ф. Крика, которые в 1953 г. предложили модель
структуры ДНК. Эти работы способствуют проведению исследований по
молекулярной генетике.
Основной задачей генной инженерии является выделение (или синтез)
отдельных генов, их молекулярное клонирование и создание
рекомбинативных ДНК — искусственной комбинации разных генов,
придающей организму новые, полезные для человека свойства. Генная
инженерия позволяет создавать для микробиологической промышленности
сверхпродуценты — микроорганизмы, с помощью которых тот или иной
продукт производят быстрее и дешевле, чем путем традиционной селекции и
генетики. На основе генной инженерии микроорганизмов организуется
промышленное производство витаминов, аминокислот, антибиотиков,
кормового белка, ферментов и т.д. Для медицинских целей с помощью
методов генной инженерии организуется промышленное производство
инсулина, гормона роста, интерферона, ряда противовирусных вакцин,
ферментов.
Клеточная инженерия представляет собой метод конструирования
клеток нового типа путем культивирования, гибридизации и реконструкции.
С помощью клеточной инженерии удалось соединить геномы весьма далеких
видов (например, животных и растений) и получить клетки с новыми
свойствами. Изучая гибридные клетки, можно выяснить механизм
размножения и дифференцировки клеток и другие процессы на
молекулярном уровне. Клеточная инженерия широко применяется, например,
для получения узконаправленного действия антител, создания новых форм
растений с заданными свойствами.
Таким образом, биотехнология — одно из ведущих направлений и
современной биологии. Ученые-футурологи полагают, что дальнейший
прогресс человечества во многом зависит от развития биотехнологии.
Тема 8. Общий обзор организма человека. Концепции физиологии
человека
Структурной единицей организма человека как любого живого
существа является клетка. В основе жизнедеятельности человеческого
организма лежат такие важные функции клеток, как обмен веществ, рост,
развитие, движение, раздражимость, размножение.
Клетки, сходные по строению, имеющие общее происхождение и
выполняющие одинаковые функции, объединяются в ткани. В большинстве
тканей между клетками располагается особое межклеточное вещество
различного строения. По выполняемой функции ткани подразделяют на 4
группы: эпителиальные, соединительные, мышечные и нервные.
Таблица. Особенности строения ткани человека
ТИП
СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ
ЭПИТЕЛЬНАЯ
РАЗНОВИДНОСТЬ ОСНОВНЫЕ
МЕСТО
ФУНКЦИИ РАСПОЛОЖЕНИЯ
Однослойная
Защитная
Слизистая оболочка
внутренних органов.
Многослойная
Защитная
Кожный эпителий.
Железистая
Секреторная Железы внешней и
внутренней
секреции.
Скелет.
Костная
Защитная,
опорная,
кроветворная
и др.
Хрящевая
Защитная,
Скелет,
гортань,
опорная
трахея, бронхи и др.
Волокнистая
ОпорноСкелет, дерма кожи,
защитная
сухожилия, связки,
фасции, внутренние
органы.
Жировая
Запасающая Подкожная
клетчатка,
внутренние органы
Кровь
Защитная,
Полости
сердца,
дыхательная, кровеносные сосуды
транспортная
Лимфа
Защитная,
Лимфатические
транспортная сосуды
Поперечнополосатая скелетная
Поперечнополосатая сердечная
МЫШЕЧНАЯ
Гладкая
НЕРВНАЯ
-
Сокращение
Опорнодвигательный
аппарат тела
Возбуждение, некоторые
сокращение внутренние органы
(язык,
глотка,
начальная
часть
пищевода, сердце)
Возбуждение, Мускулатура
сокращение пищеварительного
тракта, кровеносных
и
лимфатических
сосудов
и
др.
внутренних органов
Возбуждение, Головной и спинной
проведение мозг, нервные узлы,
периферические
нервы
Эпителиальные ткани образуют наружные покровы тела и
выстилают многие полости внутренних органов. В них клетки плотно
прилегают друг к другу, поэтому межклеточного вещества очень мало. Такое
строение ткани затрудняет проникновение в организм микроорганизмов,
вредных веществ. Часто клетки эпителиальной ткани располагаются
многочисленными слоями, надежно защищая расположенные под ними
органы. Сами же эпителиальные клетки, подвергаясь вредным воздействиям,
в большинстве случаев погибают. В связи с этим они способны к быстрому
размножению. Наглядным примером могут служить поверхностные клетки
кожи: они постепенно отмирают, слущиваются и заменяются новыми за счет
размножения клеток более глубокого слоя. Следует отметить, что
эпителиальные ткани, образующие железы, выделяют различные секреты:
слюнные железы – слюну, потовые – пот и т.д.
Соединительные ткани
образованы рыхло расположенными
клетками, между которыми находится межклеточное вещество различного
строения. Так, в костной ткани оно имеет вид пластинок, состоящих из
амофорного вещества, образованного белком оссеином, и волокон из белка
коллагена. Между волокнами располагаются кристаллы минеральных солей
(преимущественно соли кальция). Они придают костной ткани особую
прочность. Клетки хрящевой ткани заключены в овальные капсулы и лежат
среди плотного однородного межклеточного вещества, включающего
коллагеновые волокна. Волокнистая соединительная ткань состоит из рыхло
или плотно расположенных клеток и межклеточного вещества, которое
образовано волокнами из белка эластина. Клетки жировой ткани содержат
запасы жира. Особым видом соединительной ткани является кровь,
межклеточным веществом которой служит плазма, а клеточными
компонентами – эритроциты, лейкоциты и тромбоциты.
Мышечные ткани составляют основную массу мышц и обеспечивают
их сократительную функцию. Различают поперечно-полосатые скелетные,
поперечно-полосатые сердечные и гладкие мышцы.
Поперечно-полосатые скелетные мышцы представляют собой
скелетную мускулатуру. Они состоят из мышечных волокон длинной от
нескольких миллиметров до 10-12 см, каждое волокно содержит цитоплазму
с многочисленными овальными ядрами и миофибриллами. Имеют
поперечную исчерченность, обусловленную чередованием в миофибриллах
участков с разными физико-химическими и оптическими свойствами. В
функциональном отношении они относятся к произвольным мышцам, т.е.
сокращаются по воле человека.
Поперечно-полосая сердечная мышечная – сходна по строению
волокон со скелетной поперечно-полосатой мышечной тканью. Отличие
состоит в том, что ее мышечные волокна смыкаются в определенных местах,
благодаря чему сокращение одного волокна вызывает сокращение соседнего,
таким образом, обеспечивается одновременность сокращения больших
участков сердечной мышцы
Гладкие мышцы являются мускулатурой внутренних органов (стенки
сосудов, кишечника, бронхов, мочевого пузыря, мочеточников и т.д.). Они
представлены веретенообразными клетками, в цитоплазме которых имеются
палочковидное ядро и миофибрилы, состоящие из нитей сократительных
белков - актина и миозина. Гладкие мышцы сокращаются произвольно,
однако скорость и сила их сокращения меньше, чем у скелетных мышц.
Гладкие мышцы могут длительное время находиться в состоянии
сокращения.
Основные свойства мышечной ткани – возбудимость (способность
воспринимать действия раздражителей и отвечать на них), и сократимость
(способность совершать работу или изменять форму за счет сократимых
белков).
Нервная ткань образована особыми клеткам – нейронами и
расположенными между ними клетками соединительной ткани (нейроглия),
выполняющими питательную, опорную и защитную функцию. Нейрон
состоит из тела и цитоплазматических отростков. В цитоплазме тела нейрона
находится ядро с ядрышком. Отростки бывают двух видов: дендриты
(короткие,
древовидно
ветвящиеся,
обеспечивающие
восприятие
раздражения и передачу возбуждения в тело нейрона) и аксоны (длинные,
мало ветвящиеся, проводящие возбуждение от тела нейрона). Тела нейронов
расположены главным образом в спинном и головном мозге, т.е. в
центральной нервной системе, и образуют серое вещество. Длинные
отростки нейронов остаются в центральной нервной системе и образуют
белое вещество. Аксоны, покрытые особыми оболочками, образуют нервные
волокна. Одни из них с помощью периферических окончаний — рецепторов
— воспринимают раздражение и называются чувствительными
(центростремительными) волокнами; другие при помощи окончаний
передают возбуждение на рабочие органы и называются двигательными
(центробежными) волокнами. Места, где происходит передача нервного
импульса с одного нейрона на другой или на соответствующий орган,
называются синапсами.
Нервные волокна, выходящие за пределы спинного и головного мозга,
при помощи соединительной ткани собираются в пучки — нервы, дающие
многочисленные ответвления ко всем органам. В зависимости от
образующих нервы волокон они могут быть чувствительными,
двигательными и смешанными.
Основные свойства нервной ткани — возбудимость (способность
воспринимать раздражения) и проводимость (способность проводить
возбуждение)
Все ткани тесно взаимосвязаны и образуют органы — обособленные
части организма, имеющие определенное строение и функции. Каждый орган
состоит из нескольких видов тканей, одна из которых преобладает.
Например, печень образована в основном эпителиальной тканью, хотя в ней
имеются соединительная, мышечная и нервная ткани. Органы,
обеспечивающие выполнение определенных функций, объединяются в
системы органов. Так, пищеварительная система образована ротовой
полостью с языком и зубами, глоткой, пищеводом, желудком, кишечником, а
также пищеварительными железами (слюнными, поджелудочной и др.).
Кроме пищеварительной, в организме человека имеются опорнодвигательная, дыхательная, кровеносная, нервная, выделительная, половая.
Опорно-двигательный аппарат объединяет скелет и поперечнополосатые скелетные мышцы и представляет одну из важнейших систем
человеческого организма. Он выполняет опорную и защитную функции и
играет решающую роль в движении.
Специализированные органы для газообмена между организмом и
внешней средой образуют систему органов дыхания, которая у человека
представлена легкими, расположенными в грудной полости, и
воздухоносными путями: носовой полостью, носоглоткой, гортанью, трахеей,
бронхами.
Система органов кровообращения включает сердце и кровеносные
сосуды (артерии, капилляры, вены), пронизывающие все органы тела
человека; обеспечивает обмен веществ между организмом и внешней средой.
Функцию удаления продуктов распада выполняют почки, а также
легкие, кишечник, потовые железы, составляющие систему выделения
организма.
Через легкие из организма удаляются углекислый газ, вода, некоторые
летучие вещества (алкоголь и др.). Кишечник выделяет не усвоенные остатки
принятой пищи, соли кальция, желчные пигменты, частично воду и
некоторые другие вещества. Потовые железы удаляют 5-10% всех конечных
продуктов обмена (вода, соль, некоторые аминокислоты, мочевина, мочевая
кислота и др.)
Человеку, как и всем живым организмам, присуща способность
самовоспроизведения, т.е. сохранения и продолжения своего вида, что
обеспечивается функционированием половой системы – мужской и женской.
Мужская половая система представлена двумя семенниками,
придаточными половыми железами, семенными пузырьками, предстательной
железой, семявыносящими протоками и половым членом.
Женская половая система образована двумя яичниками, маточными
трубами, маткой и влагалищем, которые располагаются в полости таза.
Следует отметить, что целостность организма обеспечивается двумя
механизмами регуляции — нервным и гуморальным.
Нервная регуляция осуществляется центральной и периферической
нервной системой.
Гуморальная регуляция обеспечивается кровью, тканевой жидкостью и
лимфой, в которой содержатся различные биологически активные вещества
— гормоны и витамины. Биологически активные вещества (гормоны)
вырабатываются железами внутренней секреции и поступают в кровь, с
помощью которой и доставляются к органам-мишеням. Совокупность желез
внутренней секреции (гипофиз, эпифиз, щитовидная железа, вилочковая
железа,
надпочечники) составляют эндокринную систему человека.
Поджелудочная железа и половые являются железами смешанной секреции.
Выделяя в кровь гормоны, они также участвуют в гуморальной регуляции
деятельности органов.
Нервный и гуморальный механизмы регуляции взаимосвязаны и
дополняют друг друга. Нервная система иннервирует все системы органов,
включая эндокринную. Поэтому нервная регуляция функций — ведущая. В
то же время гормоны влияют на нервную систему, в результате чего в
процессе эволюции сформировался единый нервно-гуморальный механизм
регуляции жизнедеятельности организма. Благодаря этому механизму
обеспечивается непрерывная адаптация человека к изменяющимся условиям
среды.
Высшая нервная деятельность
Термин «высшая нервная деятельность» введен в науку И.П.
Павловым, считавшим его равнозначным понятию «психическая
деятельность». По И.П.Павлову, в основе высшей нервной деятельности
лежат безусловные и условные рефлексы.
Условные рефлексы у человека образуются с первых дней его жизни.
Условные раздражители: определенное положение тела ребенка перед
кормлением, вид матери, вид бутылочки с молоком и т.п. Далее условными
раздражителями бывают: вид пищи, вид пара, вырывающегося из носика
чайника, положение выключателя на стене и пр.
Происходит у человека и торможение условных рефлексов (после того
как выключатель переносится в другое место, человек много раз обращается
к прежнему месту его расположения).
И.П. Павлов учитывал, что все явления высшей нервной деятельности
нельзя объяснить образованием условных рефлексов. Животным с развитой
нервной системой свойственно улавливание связей между предметами и
явлениями окружающей среды и использование установленных
закономерностей в новых условиях. Такая способность животных была
названа рассудочной деятельностью.
Высшего развития рассудочная деятельность достигает у человека и
проявляется в виде мышления.
С мышлением связана речь. Словом человек обозначает все, что
воспринимает с помощью органов чувств. Словом он обобщает предметы и
явления, имеющие общие признаки (словом «дерево» обобщает такие
предметы, как «береза», «сосна», липа». Слова «береза», «липа», «сосна»
тоже являются обобщающими).
Человек обобщает все, в том числе и свои ощущения, чувства,
переживания. Слово — сигнал сигналов.
В процессе обобщений на основе выделения в предметах и явлениях
существенного, главного человек формирует понятия, которые обозначает
словами (терминами). Человек мыслит понятиями.
Устная и письменная речь является аппаратом абстрактного
(отвлеченного от конкретных единичных предметов и явлений) мышления. С
помощью устной и письменной речи человек передает свой накопленный
жизненный опыт, знакомится с опытом других и не только ныне живущих
людей, но и людей многих живших поколений.
Речь, ее функции связаны с корой головного мозга: формирование и
развитие устной речи связаны с лобной долей левого полушария, письменной
— с височными и теменными долями. Нарушение функций соответствующих
долей коры головного мозга (вследствие заболевания, ранения) ведет к
потере рассудка, мышления.
Кора головного мозга — материальная основа мышления.
Тема 9. Здоровье
Современное естествознание рассматривает человека как целостный
природный и социокультурный феномен.
Здоровье человека во многом связано с эволюционно-экологическими
основаниями его психофизической деятельности. Исследования показали,
что в современной популяции людей формируются и новые варианты гено- и
фенотипов человека, которые наиболее адекватно отвечают современным
психо-физиологическим, социальным потребностям жизни, что обусловлено
изменениями ритма жизни, урбанизацией, современными биосферноноосферно экологическими изменениями..
Более ста лет назад выдающийся французский биолог и медик К.
Бернар выдвинул идею единства здоровья и болезни и, по существу,
обосновал учение о гомеостазе. Учение о гомеостазе основано на убеждении
в единстве здоровья и болезни; Компенсаноторно-приспособительные
реакции, обспечивающеи гомеостаз, не являются какими-то особыми
реакциями организма, а представляют собой разнообразные комбинации его
функций, развертывающиеся на той же, что и в норме, материальной основе,
но протекающие, как правило, с большей, чем обычно, интенсивностью и
нередко сопровождающиеся появлением своеобразных тканевых изменений.
И.В. Давыдовский, полагал, что здоровье и болезнь – это два
качественно различных феномена, которые могут сосуществовать в
индивидууме. Сам организм (его центральная нервная система) может быть
организатором патологических процессов. Это утверждение он обосновал
результатами большого количества
экспериментов. Организация
(самоорганизация) патологического процесса есть организация адаптивной
программы в экстремальных, аварийных условиях среды, а патология есть
организованный вариант жизни (выживания) на основе видовой программы
приспособления вида. Идеи такого рода присутствовали в работах Н.П.
Бехтеревой, Г.Н. Кржижановского и др.
В экстремальных условиях (в случае перегрузки, травмы, инфекции,
интоксикации и др.) видовая аварийная программа реализуется в том, что
существенно (иногда до возможного минимума) сокращается внешняя работа
и все резервы направляются на развитие новых внутренних функциональноморфологических механизмов сохранения жизнеспособности, выживания,
выздоровления.
Естественно, что относительно обычной здоровой жизнедеятельности
такая перестройка оценивается как нечто внешнее, как болезнь. Это новое
качество жизнедеятельности индивида на основе видовой адаптивной
программы, которое И.В. Давыдовский назвал адаптацией через болезнь.
Как утверждал С.П. Боткин: «Реакция организма на вредно
действующие на него влияния внешней среды и составляет сущность
больной жизни».
В работах отечественных клиницистов, патологов были намечены пути
решения проблем общей патологии, сформулированы основы видения
проблем гомеостаза, феноменов здоровой и нарушенной жизни, предприняты
попытки обосновать понимание здоровья и болезни как диалектического
единства и противоположности.
При анализе специфики здоровья в указанном отношении следует
четко разграничивать здоровье отдельного человека и здоровье популяции.
Здоровье индивида есть динамический процесс сохранения и развития
его социально-природных, биологических, физиологических и психических
функций, социально-трудовой, социокультурной и творческой активности
при максимальной продолжительности жизненного цикла.
Здоровье популяции в отличие от этого представляет собой процесс
долговременного социально-природного, социально-исторического
и
социокультурного развития жизнеспособности и трудоспособности
человеческого коллектива в ряду поколений. Это развитие предполагает
совершенствование психофизиологических, социокультурных и творческих
возможностей людей.
Здоровье популяции и индивида является необходимой предпосылкой
интеллектуального здоровья человека, полноценной реализации его
творческих возможностей. И наоборот, когда социально-исторические
условия препятствуют полноценному развитию интеллектуального здоровья,
в высокой степени вероятны такие отрицательные следствия, как снижение
общего уровня здоровья популяции, выраженное в показателях
заболеваемости и смертности, росте хронической патологии и т.д.
Важнейшие функции популяционного здоровья:
 Функция 1 — конкретный живой труд, или совокупность
психофизических затрат в ходе производственной деятельности,
которые совершаются работающими индивидами внутри данной
популяции.
 Функция 2 — социально-биологическое воспроизводство
последующих поколений, с которыми связано существование
института семьи.
 Функция 3 — воспитание и обучение последующих поколений,
усвоение ими совокупности умений, навыков и знаний,
необходимых для успешной социально-производственной,
творческой деятельности, для полноценного воспроизводства
следующих поколений людей.
В 1947 г. Всемирная Организация Здравоохранения, основанная по
инициативе ООН, предложила краткую формулировку термина «здоровье».
Здоровье — это состояние полного физического, умственного и социального
благосостояния.
Каждый из нас имеет два возраста – хронологический возраст – здесь
мы ничего изменить не можем (мы рождаемся в определенный день, и стой
поры календарь отсчитывает годы), и физиологический возраст, с которым
мы можем кое-что сделать (характеризующий физиологическое состояние
системы органов). Физиологический возраст можно откорректировать, для
чего необходимо избегать состояния, ведущего к эмоциональному
перенапряжению (стрессу) и вести правильный образ жизни.
Правильный образ жизни И.И. Мечников назвал ортобиозом («орто» прямой, правильный, «био» - связанный с жизнью) и предложил восемь
важных условий его:
 Труд – являющийся важнейшим условием физиологического
благополучия. Органы-тунеядцы быстро чахнут.
 Нормальный сон – сон
в ночное
время
суток
продолжительностью 8-10 часов (режим сна) при отсутствии
раздражителей.

Служба доброго настроения, положительные эмоции – их
обеспечивают доброжелательное отношение к другим людям,
юмор, оптимизм.
 Рациональное питание – рациональным оно должно быть по
качеству, по количеству и по режиму.
 Избегать алкоголя и никотина – так как, алкоголь – яд для всех
клеток тела. Слабеют нервные процессы, дрябнет сердечная
мышца. Неблагоприятное действие оказывает алкоголизм
родителей
на
потомство,
повышая
число
детей
с
психохимическими и физическими дефектами. Страдает печень,
закономерный конец алкоголика – тяжелое отравление ядами,
известное под наименованием белой горячки. Никотин – нервнососудистый яд, усиливает атеросклероз. От инфаркта миокарда
курящие умирают в 11 раз, от рака легких в 13 раз чаще, чем
некурящие. Живут они на 10 лет меньше.
 Соблюдение режима – выполнение определенной деятельности
организма в определенное время, что приводит к образованию в
мозгу условных рефлексов на время.
 Закаливание организма – под закаливанием понимают процесс
приспособления организма к неблагоприятным внешним
воздействиям, главным образом к холодовому фактору, причем
приспособление
это
достигается
путем
использования
естественных сил природы – солнечных лучей, воздуха, воды.
 Физические упражнения - достаточный объем двигательной
активности.
Работоспособность.
С
физиологической
точки
зрения,
работоспособность определяет возможности организма при выполнении
работы к поддержанию структуры и энергозапасов на заданном уровне. В
соответствии с двумя основными типами работ выделяют физическую и
умственную работоспособность. Выделяют также общую (потенциальную,
максимально возможную работоспособность при мобилизации всех резервов
организма) и фактическую работоспособность, уровень которой всегда
ниже. Фактическая работоспособность – зависит от текущего уровня
здоровья, самочувствия человека, а также, от типологических свойств
нервной системы, индивидуальных особенностей функционирования
психических процессов (памяти, мышления, внимания, восприятия), от
оценки человеком значимости и целесообразности мобилизации
определенных ресурсов организма для выполнения определенной
деятельности.
В процессе выполнения работы человек проходит через различные
фазы
работоспособности.
Фаза
мобилизации
характеризуется
предстартовым состоянием. При фазе врабатываемости могут быть сбои,
ошибки в работе, организм реагирует на данную величину нагрузки с
большей силой,чем это необходимо; постепенно происходит приспособление
организма к наиболее экономичному, оптимальному режиму выполнения
данной конкретной работы.
Фаза оптимальной работоспособности (или фаза компенсации)
характеризуется оптимальным,экономичным режимом работы организма и
хорошими,
стабильными
результатами
работы,
максимальной
производительностью и эффективностью труда. Во время этой фазы
несчастные случаи крайне редки и происходят, в основном, по причине
объективных экстремальных факторов или неполадок оборудования. Во
время фазы неустойчивости компенсации (или субкомпенсации)
происходит своеобразная перестройка организма: необходимый уровень
работы поддерживается за счет ослабления менее важных функций.
Эффективность
труда
поддерживается
за
счет
дополнительных
физиологических
процессов,
менее
выгодных
энергетически
и
функционально. Например, в сердечно-сосудистой системе обеспечение
необходимого кровоснабжения органов осуществляется уже не за счет
увеличения силы сердечных сокращений, а за счет возрастания их частоты.
Перед окончанием работы, при наличии достаточно сильного мотива к
деятельности, может наблюдаться также фаза «конечного порыва».
При выходе за пределы фактической работоспособности, во время
работы в сложных и экстремальных условиях, после фазы неустойчивой
компенсации
наступает
фаза
декомпенсации,
сопровождаемая
прогрессирующим снижением производительности труда, появлением
ошибок, выраженными вегетативными нарушениями: учащением дыхания,
пульса, нарушением точности координации.
При продолжении работы фаза декомпенсации может довольно быстро
перейти в фазу срыва (резкое падение производительности, вплоть до
невозможности продолжения работы, резко выраженная неадекватность
реакций организма, нарушение деятельности внутренних органов, обмороки).
Первый этап – врабатывание – приходится, как правило, на первый
час (реже на два часа) от начала работы.
Второй этап – устойчивой работоспособности – длится последующие
2-3 часа.
Третий этап - работоспособность вновь снижается.
Эти три этапа повторяются дважды за трудовой день: до обеденного
перерыва и после него. Максимальные подъемы отмечаются в 10-13 и 17-20
часов. Минимум работоспособности приходится на ночные часы. Но и в это
время наблюдаются физиологические подъемы с 24 до 1 часа ночи и с 5 до 6
часов утра. В течение недели отмечаются те же три этапа. В понедельник
человек проходит стадию врабатывания, во вторник, среду и четверг имеет
устойчивую работоспособность, а в пятницу и субботу у него развивается
утомление.
Имеют место сезонные колебания работоспособности. В переходное
время года, особенно весной, у многих людей появляются
вялость,
утомляемость, снижается интерес к работе. Это состояние называют
весенним утомлением
Работоспособность обусловлена и возрастным состоянием человека.
Установлено, что в 18-20 лет у человека наблюдается самая высокая
интенсивность интеллектуальных и логических процессов. К 30 годам она
снижается на 4%, к 40 – на 13%, к 50 – на 20, а в возрасте 60 лет – на 25%. По
данным ученых Киевского института геронтологии, физическая
работоспособность максимальна в возрасте от 20 до 30 лет, к 50 – 60 годам
она снижается на 30%, а в следующие 10 лет составляет лишь около 60%
юношеской.
Длительное время ученые считали утомление отрицательным
явлением, неким промежуточным состоянием между здоровьем и болезнью.
В наши дни академик АН Украины Г.В Фольборт провел убедительные
исследования, показавшие, что утомление является естественным
побудителем процессов восстановления работоспособности. Здесь действует
закон биологической обратной связи. Если бы организм не утомлялся, то не
происходили бы и восстановительные процессы. Чем больше утомление
(конечно, до определенного предела), тем сильнее стимуляция
восстановления и тем выше уровень последующей работоспособности.
Важно и то, что в период восстановления происходит «текущий ремонт»
органов и тканей, усиливаются процессы регенерации, заживления ран.
Исследования советского физиолога профессора И.А. Аршавского показали,
что физические нагрузки не сокращают, а, наоборот, увеличивают,
продолжительность жизни.
Одно из наиболее емких определений состояния утомления дали
советские ученые В.П. Загрядских и А.С. Егоров: «Утомление –
возникающее вследствие работы временное ухудшение функционального
состояния
организма
человека,
выражающееся
в
снижении
работоспособности, в неспецифических изменениях физиологических
функций и в ряде субъективных ощущений, объединяемых чувством
усталости.
Различают физиологическое и психическое утомление. Первое из
них выражает, прежде всего, воздействие на нервную систему продуктов
разложения, освобождающихся в результате двигательно-мускульной
деятельности, а второе – состояние перегруженности самой центральной
нервной системы. Обычно явления психического и физиологического
утомления взаимно переплетаются, причем психическое утомление, то есть
ощущение
усталости,
как
правило,
предшествует
утомлению
физиологическому. Как показывают исследования, явления утомления в
утренней смене интенсивнее всего наблюдаются на четвертом – пятом часу
работы.
После прекращения работы наступает фаза восстановления
физиологических и психологических ресурсов организма. Однако не
всегда восстановительные процессы проходят нормально и быстро. После
сильно выраженного утомления вследствие воздействия экстремальных
факторов организм не успевает отдохнуть, восстановить силы за обычные 6-8
часов ночного сна. Порой требуются дни, недели для восстановления
ресурсов организма. В случае неполного восстановительного периода
сохраняются
остаточные явления утомления, которые могут
накапливаться, приводить к хроническому переутомлению различной
степени выраженности. В состоянии переутомления длительность фазы
оптимальной работоспособности резко сокращается или может отсутствовать
полностью, и вся работа проходит в фазе декомпенсации.
В состоянии хронического переутомления снижается умственная
работоспособность: трудно сосредоточиться, временами наступает
забывчивость, замедленность и порой неадекватность мышления. Все это
повышает опасность несчастных случаев.
Психогигиенические мероприятия, направленные на снятие состояния
переутомления, зависят от степени переутомления.
Для начинающегося переутомления (I степень) эти мероприятия
включают упорядочение отдыха, сна, занятия физкультурой, культурные
развлечения. В случае легкого переутомления (II степень) полезен очередной
отпуск и отдых. При выраженном переутомлении (III степень) необходимо
ускорение очередного отпуска и организационного отдыха. Для тяжелого
переутомления (IV степень) требуется лечение.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ ПО БИОЛОГИИ
Лабораторная работа №1
Тема: «Уровни организации живой природы»
Оборудование:
 микроскоп, микропрепараты: «Растительная клетка», «Животная
клетка»;
 таблицы: «Генетический код», «ДНК», «Строение растительной и
животной клетки».
 учебники: А.П. Пехов. Биология с основами экологии. Учебник. –
СПб. – М. – Краснодар, 2006., И.Н. Понамарева и др. Общая
биология. Учебник для учащихся 11 класса общеобразовательных
учреждений /Под ред. И.Н. Пономаревой. – М.: Вента-Графф, 2002.
– 224 с.
Выполнение работы
1. Ознакомиться с уровнями организации живой природы:
молекулярно-генетическим, клеточным, организменным, популяционновидовым,
биоценотическим,
биогеоценотическим
(экосистемным),
биосферным, используя материал лекций и учебника.
2. Зарисовать макромолекулы ДНК и РНК, отметив особенности их
строения; заполнить таблицу №1.
Таблица№1. Особенности строения и состава нуклеиновых кислот
Состав нуклеотидов
Название
Кол-во
нуклеиновой полинуклеотидных
Азотистые
Углевод
Фосфат
кислоты
цепей
основания
3. Рассмотреть под микроскопом растительную и животные клетки;
зарисовать; заполнить таблицу №2.
Таблица№2. Морфофункциональные особенности структурных
компонентов клетки
Функции
Данные
Наличие
Название
электронной
структурных
в
в
микроскопии
компонентов
растительной животной
(рисунок)
клетки
клетке
клетке
Лабораторная работа №2
Тема: «Биоразнообразие. Основы систематики»
Оборудование:
 таблицы: «Вирусы и бактериофаги», «Схема строения клетки
(бактериальной, сине-зеленой водоросли)», «Строение растительной
и животной клетки», «Шляпочные грибы«», «Плесневые грибы,
дрожжи».
 учебники: Общая биология. Учеб для10-11 кл. общеобразоват.
учреждений. /Д.К. Беляев, Н.Н. Воронцов и др.;/Под ред Д.К.
Беляева и др. – 6-е изд, - М.: Просвещение, 1997. – 287 с.
 Выполнение работы
1. Изучить по материалу лекций и учебника биоразнообразие,
используя основные положения современной систематики. Заполнить
таблицу. Сделать вывод об особенностях их организации.
Доклеточные
формы жизни
Клеточные формы жизни
Прокариоты
Эукариоты
Группа организмов
Особенности
строения (рисунок)
Лабораторная работа №3
Тема: «Размножение и индивидуальное развитие организмов.
Жизненный цикл клетки».
Оборудование:
 таблицы: «Митоз», «Мейоз», «Эмбриональное развитие хордовых
на примере ланцетника».
 учебник: Общая биология. Учеб для10-11 кл. общеобразоват.
учреждений. /Д.К. Беляев, Н.Н. Воронцов и др.;/Под ред Д.К.
Беляева и др. – 6-е изд, - М.: Просвещение, 1997. – 287 с.
Выполнение работы
1. Используя материал лекций изучить способы размножения
организмов (бесполое, вегетативное, половое), отметить их особенности.
2. Изучить способы деления клеток: митоз, амитоз, мейоз. Зарисовать в
таблицу схемы митоза, мейоза. Отметить отличия.
Фазы
Схема митоза (рисунки)
Схема мейоза (рисунки)
I деление (редукционное)
Профаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
II деление (эквационное)
Профаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
3. Ответить на вопросы:
1. Какие существуют типы деления клеток?
2. Чем отличается амитоз от других типов деления клеток и для
каких организмов он характерен?
3. Что такое митоз? В чем его биологический смысл?
4. Какие процессы происходят в ядре в интерфазе?
5. Почему к началу митоза хромосомы состоят из двух
хроматид?
6. Какие изменения происходят в профазе митоза в ядре?
7. К какому участку хромосомы присоединяется нить веретена
деления?
8. Что характерно для метафазы митоза?
9. Какие хромосомы расходятся к полюсам клетки в анафазе?
10. Почему телофазу называют «профазой наоборот»?
11. Сколько клеток образуется в результате митоза и с каким
набором хромосом?
12. Для каких клеток характерен мейоз?
13. Какие хромосомы называют гомологичными?
14. Сколько клеток получается в результате мейоза I и с каким
набором хромосом в каждой?
15. Происходит ли синтез ДНК и удвоение хроматид после мейоза
I?
16. Что характерно для профазы I?
17. Что такое конъюгация хромосом, когда она происходит и
каково её значение?
18. Сколько хроматид участвуют в перекресте?
19. Какие хромосомы расходятся к полюсам в анафазе II?
20. Сколько клеток получается в результате мейоза?
21. Каким становится набор хромосом в каждой клетке,
образовавшейся при мейозе, и сколько хроматид в каждой
хромосоме?
22. Какова сущность мейоза I и мейоза II?
23. В чем отличие митоза от мейоза?
4. Изучить и зарисовать этапы онтогенеза лацентника.
5. Выполнить контрольную работу.
Контрольная работа
1. Какой набор хромосом характерен для зиготы (п, 2п, 3п)?
2. Какой набор хромосом свойственен бластомерам (п, 2п, 3п)?
3. Какой вид деления клеток происходит при дроблении (митоз, мейоз,
амитоз)?
4. На какой фазе развития зародыша начинается митоз с последующим
ростом клеток (зигота, бластула, гаструла)?
5. Почему стадия двухслойного зародыша называется гаструлой
(похожа на желудок, имеет кишечную полость, имеет желудок)?
6. С развитием какого зародышевого листка связано появление
вторичной полости рта (эктодерма, мезодерма, энтодерма)?
7. С появлением, какого зародышевого листка начинается развитие
тканей и систем органов (эктодерма, энтодерма, мезодерма)?
8. За счет какого зародышевого листка образуется хорда (эктодерма,
мезодерма, энтодерма)?
9. За счет, какого зародышевого листка формируется спинной мозг
(эктодерма, мезодерма, энтодерма)?
Лабораторная работа №4
Тема: «Обмен веществ и энергии клетки».
Оборудование:
 таблицы: «Фотосинтез», «Биосинтез белка», «Энергетический обмен
углеводов».
 учебник: Общая биология. Учеб для10-11 кл. общеобразоват.
учреждений. /Д.К. Беляев, Н.Н. Воронцов и др.;/Под ред Д.К.
Беляева и др. – 6-е изд, - М.: Просвещение, 1997. – 287 с.
Выполнение работы
Используя таблицы и лекционный материал изучить:
1. Схему превращения веществ и энергии в процессе диссимиляции,
зарисовать.
2. Изучить схему фотосинтеза, зарисовать.
3. Изучить схему биосинтеза белка, зарисовать.
Контрольная работа
1. Почему ассимиляция называется пластическим обменом (создаются
органические вещества. Расщепляются органические вещества)?
2. Почему диссимиляция называется энергетическим обменом
(поглощается энергия, выделяется энергия)?
3. Что включают в себя процесс ассимиляции (синтез органических
веществ с поглощением энергии, распад органических веществ с
выделением энергии); процесс диссимиляции (синтез органических
веществ с поглощением энергии, распад органических веществ с
выделением энергии)?
4. Какие процессы, происходящие в клетке, относятся к
ассимиляционным (синтез белка, фотосинтез, синтез липидов,
синтез АТФ, дыхание)?
5. Чем отличается окисление органических веществ в митохондриях от
горения этих веществ (выделение теплоты, выделение теплоты и
АТФ, синтез АТФ; процесс окисления происходит с участием
ферментов, без участия ферментов)?
6. Что общего между окислением, происходящим в митохондриях
клеток, и горением (образование СО2 и Н2О; выделение теплоты;
синтез АТФ)?
7. На каком этапе диссимиляции полимеры расщепляются до
мономеров (I, II, III)?
8. Что происходит с глюкозой на II этапе диссимиляции (гликолиз с
образованием молочной кислоты; окисление до СО2 и Н2О)?
9. Какой этап диссимиляции называют кислородным (I, II, III) и
почему (в процессе реакции к промежуточным продуктам
присоединяется кислород; в процессе реакции выделяется
кислород)?
10. На каком этапе диссимиляции углеводов синтезируются 2 АТФ (I,
II, III); 36 АТФ (I, II, III); АТФ не синтезируется (I, II, III)?
11. В каких органеллах клетки осуществляется процесс фотосинтеза
(митохондрии, рибосомы, хлоропласты, хромопласты)?
12. Где сосредоточен пигмент хлорофилл (оболочка хлоропласта,
строма, граны)?
13. Какие лучи спектра поглощают хлорофилл (красные, зеленые,
фиолетовые)?
14. При расщеплении какого соединения выделяется свободный
кислород при фотосинтезе (СО2, Н2О, АТФ)?
15. В какую стадию фотосинтеза образуется свободный кислород
(темновую, световую, постоянно)?
16. Что происходит с АТФ в световую стадию (синтез, расщепление)?
17. На какой стадии в хлоропласте образуется первичный углевод
(световая стадия, темновая стадия)?
18. Расщепляется ли молекула СО2 при синтезе углеводов (да,нет)?
19. Какую роль играют ферменты при фотосинтезе (нейтрализуют,
катализируют, расщепляют)?
20. Какие компоненты клетки непосредственно участвуют в босинтезе
белка ( рибосомы, ядрышко, ядерная оболочка, хромосомы)?
21. Какова функция ДНК в синтезе белка (самоудвоение, транскрипция,
синтез тРНК и рРНК)?
22. Чему соответствует информация одного гена молекулы ДНК (белок,
аминокислоты, ген)?
23. Какая структура ядра содержит информацию о синтезе одного белка
(молекула ДНК, триплет нуклеотидов, ген)?
24. Какие компоненты составляют тело рибосомы (мембраны, белки,
углеводы, РНК, жиры)?
25. Чему соответствует триплет иРНК (аминокислота, белок)?
26. Сколько аминокислот участвуют в биосинтезе белков (100, 30, 20)?
27. Что образуется в рибосоме в процессе биосинтеза белка (белок
третичной структуры, белок вторичной структуры, полипептидная
цепь)?
28. Где формируются сложные структуры молекулы белка (рибосома,
матрикс цитоплазмы, каналы эндоплазматической сети)?
Лабораторная работа №5
Тема: «Основные закономерности наследственности».
Оборудование:
 таблицы:
«Моногибридное
скрещивание»,
«Дигибридное
скрещивание», «Хромосомный механизм определения пола».
 учебник: Общая биология. Учеб для10-11 кл. общеобразоват.
учреждений. /Д.К. Беляев, Н.Н. Воронцов и др.;/Под ред Д.К.
Беляева и др. – 6-е изд, - М.: Просвещение, 1997. – 287 с.
Выполнение работы
1. Изучить буквенную символику по Г.Менделю, основные термины и
понятия.
Буквенная символика по Г.Менделю
Р – перента – родители. Родительские организмы, взятые для скрещивания,
отличающиеся наследственными зачатками.
F – филие – дети. Гибридное потомство.
А – доминантный признак желтой окраски семян гороха.
а – рецессивный признак зеленой окраски семян гороха.
В – доминантный признак гладкой поверхности семян гороха.
b - рецессивный признак морщинистой поверхности семян гороха.
Аа – аллельные гены окраски.
Bb - аллельные гены поверхности
АА – доминантная гомозигота
аа – рецессивная гомозигота.
Аа – гетерозигота при моногибридном скрещивании.
АаВb - гетерозигота при дигибридном скрещивании.
Основные термины и понятия
Генетика (от греч. «генезис» — происхождение) — наука о
закономерностях наследственности и изменчивости организмов.
Ген (от греч. «генос» — рождение) — участок молекулы ДНК,
отвечающий за один признак, т.е. за структуру определенной молекулы
белка.
Альтернативные признаки — взаимоисключающие, контрастные
признаки (окраска семян гороха желтая и зеленая).
Гомологичные хромосомы (от греч. «гомос» — одинаковый) —
парные хромосомы, одинаковые по форме, размерам, набору генов. В
диплоидной клетке набор хромосом всегда парный: одна хромосома из пары
материнского происхождения, другая — отцовского.
Локус — участок хромосомы, в котором расположен ген.
Аллельные гены — гены, расположенные в одних и тех же локусах
гомологичных хромосом. Контролируют развитие альтернативных признаков
(доминантных и рецессивных — желтая и зеленая окраска семян гороха).
Генотип — совокупность наследственных признаков организма,
полученных от родителей,— наследственная программа развития.
Фенотип — совокупность признаков и свойств организма,
проявляющаяся при взаимодействии генотипа со средой обитания.
Зигота (от греч. «зиготе» — спаренная) — клетка, образующаяся при
слиянии двух гамет (половых клеток) — женской (яйцеклетки) и мужской
(сперматозоида). Содержит диплоидный (двойной) набор хромосом.
Гомозигота (от греч. «гомос» — одинаковый и зигота) — зигота,
имеющая одинаковые аллели данного гена (оба доминантные АА или оба
рецессивные аа). Гомозиготная особь в потомстве не дает расщепления.
Гетерозигота (от греч. «гетерос» — другой и зигота) — зигота,
имеющая два разных аллеля по данному гену (Аа, ВЬ). Гетерозиготная особь
в потомстве дает расщепление по данному признаку.
Доминантный признак (от лат. «доминас» — господствующий) —
преобладающий признак, проявляющийся в потомстве у гетерозиготных
особей.
Рецессивный признак (от лат. «рецессус» — отступление) — признак,
который передается по наследству, но подавляется, не проявляясь у
гетерозиготных потомков, полученных при скрещивании.
Гамета (от греч. «гаметес» — супруг) — половая клетка
растительного или животного организма, несущая один ген из аллельной
пары. Гаметы всегда несут гены в «чистом» виде, так как образуются путем
мейотического деления клеток и содержат одну из пары гомологичных
хромосом.
Цитоплазматическая
наследственность
—
внеядерная
наследственность, которая осуществляется с помощью молекул ДНК,
расположенных в пластидах и митохондриях.
Модификация (от лат. «модификацио» — видоизменение) —
ненаследственное изменение фенотипа, возникающее под влиянием факторов
внешней среды в пределах нормы реакции генотипа.
Модификационная изменчивость — изменчивость фенотипа. Реакция
конкретного генотипа на разные условия среды обитания.
Вариационный ряд — ряд модификационной изменчивости признака,
слагающийся из отдельных значений видоизменений, расположенных в
порядке увеличения или уменьшения количественного выражения признака
(размеры листьев, число цветков в колосе, изменение окраски шерсти).
Вариационная кривая — графическое выражение изменчивости
признака, отражающее как размах вариации, так и частоту встречаемости
отдельных вариант.
Норма реакции — предел модификационной изменчивости признака,
обусловленный генотипом. Пластичные признаки обладают широкой нормой
реакции, непластичные — узкой.
Мутация (от лат. «мутацио» — изменение, перемена) —
наследственное изменение генотипа. Мутации бывают: генные,
хромосомные, генеративные (у гамет), внеядерные (цитоплазматические) и
т.д.
Мутагенный фактор — фактор, вызывающий мутацию. Существуют
естественные (природные) и искусственные (вызванные человеком)
мутагенные факторы.
Моногибридное скрещивание — скрещивание форм, отличающихся
друг от друга по одной паре альтернативных признаков.
Дигибридное скрещивание — скрещивание форм, отличающихся друг
от друга по двум парам альтернативных признаков.
Анализирующее скрещивание — скрещивание испытуемого организма
с другим, являющимся по данному признаку рецессивной гомозиготой, что
позволяет установить генотип испытуемого. Применяется в селекции
растений и животных.
Сцепленное наследование — совместное наследование генов,
локализованных в одной хромосоме; гены образуют группы сцепления.
Кроссинговер (перекрест) — взаимный обмен гомологичными
участками гомологичных хромосом при их конъюгации (в профазе I мейоза
I), приводящий к перегруппировке исходных комбинаций генов.
Пол организмов — совокупность морфологических и физиологических
особенностей, которые определяются в момент оплодотворения
сперматозоидом яйцеклетки и зависят от половых хромосом, которые несет
сперматозоид.
Половые хромосомы — хромосомы, по которым мужской пол
отличается от женского. Половые хромосомы женского организма все
одинаковы (XX) и определяют женский пол. Половые хромосомы мужского
организма разные (XУ): X определяет женский пол, У — мужской пол.
Поскольку все сперматозоиды образуются путем мейотического деления
клеток, половина их несет Х-хромосомы, а половина — У-хромосомы.
Вероятность получения мужского и женского пола одинакова.
Генетика популяций — раздел генетики, изучающий генотипический
состав популяций. Это позволяет рассчитывать частоту мутантных генов,
вероятность встречаемости их в гомо- и гетерозиготном состоянии, а также
следить за накоплением в популяциях вредных и полезных мутаций.
Мутации служат материалом для естественного и искусственного отбора.
Данный раздел генетики был основан С.С. Четвериковым и получил
дальнейшее развитие в трудах Н. П. Дубинина.
2. Повторить имеющийся по теме материал.
3. Проанализировать рис. 1, 2,3, заполнить решетку Пеннета.
4. Выполнить контрольную работу.
Контрольная работа
1. Сколько
альтернативных
признаков
учитывается
при
моногибридном скрещивании (один, два, три, четыре и более)?
2. Как называют признаки гибрида, проявляющиеся в первом
поколении (дминантные, рецессивные)?
3. Как называется зигота, из которой развиваются гибриды первого
поколения (гомозигота, гетерозигота)?
4. Какие гаметы образуются у гибридов первого поколения –
гибридные или негибридные (чистые)?
5. Какой способ опыления применял Г.Мендель для получения
гибридов второго поколения (перекрестное, самоопыление,
искусственное опыление)?
6. Какие признаки являются парными (желтый и зеленый цвет,
желтый цвет и гладкая поверхность, гладкая и морщинистая
поверхность)?
7. Где расположены гены парных признаков при дигибридном
скрещивании (одна хромосома, разные хромосомы)?
8. Где расположены аллельные гены (одна хромосома, разные
хромосомы)?
9. Как распределяются аллельные гены при мейозе (оказываются в
одной клетке, оказываются в разных клетках)?
10. Как появляются в клетках гены парных признаков (складываются
из родительских гамет, переходят по наследству, объединяются
случайно)?
11. При каком скрещивании последующее расщепление идет по
формулам: а) 1:2:1, б) 1:3, в) 1:8:3:3:1 г) 9:3:3:1; в каком случае
расщепление идет по генотипу, а в каком - по фенотипу?
12. Какую информацию несет ген (синтез молекулы белка,
образование организма, образование органа)?
13. Где расположен ген (цитоплазма, ядерный сок, хромосома)?
14. В состав какой структуры входит ген (РНК, АТФ, ДНК,
аминокислота)?
15. Сколько генов в хромосомах
гибридного организма при
моногибридном скрещивании отвечают за один и тот же признак
(один, два, три, более)?
16. Как называются гены, отвечающие за один и тот же признак
(аллельные, альтернативные)?
17. Какие признаки называют альтернативными (одинаковые,
противоположные) и в каких генах они закодированы
(аллельные, неаллельные)?
18. Признаком генотипа или фенотипа будет появление потомства,
аналогичного родителям, например рождение у собаки щенят,
образование у яблони яблок?
19. Что изменяется – генотип или фенотип, когда при переселении в
горную местность коровы становятся низкорослыми и
малоудойными?
20. Что больше подвергается изменениям под влиянием условий
внешней среды (генотип, фенотип)?
21. Вследствие чего возникает полиплоидная клетка (модификация,
генная мутация, хромосомная мутация, нерасхождение
хромосом)?
5. Изучить таблицу «Хромосомный механизм определения пола».
Выполнить ее в альбоме
6.Проверить по словарю знания терминов
6.
Рис. 1. Единообразие гибридов I
поколения и расщепление гибридов II
поколения при моногибридном
скрещивании
Рис. 2. Единообразие гибридов I
поколения и расщепление гибридов II
поколения при дигибридном скрещивании
Рис. 3. Цитологические основы дигибридного скрещивания
Лабораторная работа №6
Тема: «Закономерности изменчивости»
Оборудование:
 таблица: «Виды изменчивости».
 учебник: Общая биология. Учеб для10-11 кл. общеобразоват.
учреждений. /Д.К. Беляев, Н.Н. Воронцов и др.;/Под ред Д.К.
Беляева и др. – 6-е изд, - М.: Просвещение, 1997. – 287 с.
Выполнение работы:
1. Изучить основные термины и понятия по изучаемой теме (см. в лаб.
работе №5).
2. Повторить имеющийся по данной теме материал.
3. Изучить таблицу «Сравнительная характеристика форм
изменчивости».
Таблица «Сравнительная характеристика форм изменчивости»
Характеристика
Модификационная
Мутационная
изменчивость
изменчивость
Объект изменения Фенотип в пределах нормы
Генотип
реакции
Отбирающий
Изменение условий
Изменение условий
фактор
окружающей среды
окружающей среды
Наследование
признаков
Подверженность
изменениям
хромосом
Подверженность
изменениям
молекул ДНК
Значение для особи
Не наследуются
Наследуются
Не подвергаются
Подвергаются при
хромосомной мутации
_
Подвергаются в случае
генной мутации
Повышает или понижает
Полезные изменения
жизнеспособность,
приводят к победе в
продуктивность, адаптацию борьбе за существование,
вредные – к гибели
Значение для вида
Способствует выживанию Приводит к образованию
новых популяций, видов
и т.д. в результате
дивергенции
Роль в эволюции
Приспособление
Материал для
организмов к условиям
естественного отбора
среды
Форма
Определенная (групповая)
Неопределенная
изменчивости
(индивидуальная),
Закон гомологических
Подчиненность
Статистическая
рядов наследственной
закономерности
закономерность
изменчивости
вариационных рядов
3. Выполнить контрольную работу.
Контрольная работа
1. Что характерно для мутации (возникает при скрещивании, при
кроссинговере, возникает внезапно в ДНК или хромосомах)?
2. Признаки какой изменчивости передаются потомству
(модификационной, мутационной)?
3. Что подвергается изменениям при возникновении мутаций
(генотип, фенотип)?
4. Наследуются признаки генотипа или фенотипа?
5. Для какой изменчивости характерны следующие признаки:
возникают внезапно, могут быть доминантными или
рецессивными, полезными и вредными, наследуются,
повторяются (мутационная, модификационная)?
6. Где происходят мутации (в хромосомах, в молекулах ДНК, в
одной паре нуклеотидов, в нескольких нуклеотидах)?
7. В каком случае мутация проявляется фенотипически (в
любом, в гомозиготном организме, в гетерозиготном
организме)?
8. Какова роль мутаций в эволюционном процессе (увеличение
изменчивости, приспособление к окружающей среде,
самосовершенствование организма)?
9. От чего зависит фенотип (от генотипа, от окружающей среды,
ни от чего не зависит)?
10. Чем определяется размах изменчивости признаков организма
(окружающей средой, генотипом)?
11. Признаки какой изменчивости выражаются в виде
вариационной кривой (мутационная, модификационная)?
12. Какие признаки обладают узкой нормой реакции
(качественные, количественные)?
13. Какая форма естественного отбора в популяции приводит к
образованию новых видов (движущий, стабилизирующий),
какая – к сохранению видовых признаков (движущий,
стабилизирующий)?
Лабораторная работа №7
Тема: «Основы селекции»
Оборудование:
 таблица: «Полиплоидия у растений».
 учебники: Богданова Т.Л., Солодова Е.А. Биология. Справочник
школьника. – М., 2003. Общая биология. Учеб для 10-11 кл.
общеобразоват. учреждений. /Д.К. Беляев, Н.Н. Воронцов и др.;/Под
ред Д.К. Беляева и др. – 6-е изд, - М.: Просвещение, 1997. – 287 с.
Пехов А.П. Биология с основами экологии. Санкт-Петербург – Москва
– Краснодар, 2006.
Выполнение работы:
1. Изучить основные термины и понятия.
Исходный материал — линии, сорта, виды, роды культурных или
диких растений или животных, обладающих ценными хозяйственными
качествами или экстерьером.
Гибридизация (от греч. «гибрис» — помесь) — естественное или
искусственное скрещивание особей, относящихся к различным линиям,
сортам, породам, видам, родам растений или животных.
Сорт — совокупность культурных растений одного вида,
искусственно созданная человеком и характеризующаяся: а) определенными
наследственными
особенностями,
б)
наследственно
закрепленной
продуктивностью, в) структурными (морфологическими) признаками.
Порода — совокупность домашних животных одного вида,
искусственно созданная человеком и характеризующаяся: а) определенными
наследственными
особенностями,
б)
наследственно
закрепленной
продуктивностью, в) экстерьером.
Линия — потомство одной самоопыляющейся особи у растений,
потомство от близкородственного скрещивания у животных, имеющих
большинство генов в гомозиготном состоянии.
Инбридинг
(инцухт)
по-англ.
«разведение
в
себе»
—
близкородственное
скрещивание
сельскохозяйственных
животных.
Принудительное самоопыление у перекрестноопыляющихся растений.
Инбредная
депрессия
—
снижение
жизнеспособности
и
продуктивности у животных и растений, полученных путем инбридинга,
вследствие перехода большинства генов в гомозиготное состояние.
Гетерозис — мощное развитие гибридов, полученных при
скрещивании инбредных (чистых) линий, одна из которых гомозиготна по
доминантным, другая — по рецессивным генам.
Подвой — корнесобетвенное (укорененное) растение, на которое
производится прививка.
Привой — черенок растения или почка, которые прививаются на
корнесобственное растение.
Полиплоидия — кратное увеличение диплоидного или гаплоидного
набора хромосом, вызванное мутацией.
Мутагенез (от лат. «мутацио» — перемена, изменение и греч. «генос»
— образующий) — метод в селекции высших растений и микроорганизмов,
который позволяет искусственно получать мутации с целью увеличения
продуктивности.
Биотехнология — использование живых организмов и биологических
процессов в производстве. Биологическая очистка сточных вод,
биологическая защита растений, а также синтез в промышленных условиях
кормовых белков, аминокислот, получение ранее недоступных препаратов
(гормон инсулин, ростовой гормон, интерферон), создание новых сортов
растений, пород животных, видов микроорганизмов и т.д.— это главные
направления новой отрасли науки и производства.
Генная инженерия — наука, создающая новые комбинации генов в
молекуле ДНК. Возможность рассекать и сращивать молекулу ДНК
позволила создать гибридную клетку бактерии с генами человека,
ответственными за синтез гормона инсулина и интерферона. Эта разработка
применяется в фармацевтической промышленности для получения
лекарственных препаратов. С помощью пересадки генов создаются растения,
устойчивые к болезням, неблагоприятным условиям среды, с более высоким
эффектом фотосинтеза и фиксирования атмосферного азота.
2. Заполнить таблицу №1 «Основные методы селекции».
Таблица №1 «Основные методы селекции»
Методы
Селекция животных Селекция растений
Гибридизация:
а)
неродственная
(аутбридинг)
б) близкородственная
(инбридинг)
Отбор
а) массовый
б) индивидуальный
Метод
испытания
производителей
по
потомству
Экспериментальное
получение
полиплоидов
3. Заполнить таблицу №2 «Методы селекционной работы И.В.
Мичурина».
Таблица №2 «Методы селекционной работы И.В. Мичурина».
Методы
Сущность
Примеры
Биологически
отдаленная
гибридизация
а) межвидовая
б) межродовая
Географически
отдаленная
гибридизация
Отбор
Метод Ментора
Метод посредника
Воздействие
условиями среды
Смешение пыльцы
4. Ответить на вопросы
1. Какая наука является теоретической основой селекции?
2. Какие задачи ставит перед собой селекция растений и животных?
3. Что такое сорт, порода, штамм?
4. Что такое гибридизация?
5. Чем отличается искусственный отбор от естественного?
6. Чем отличается индивидуальный отбор от массового и в каких
случаях они применяются?
7. Применяется ли массовой отбор при разведении животных?
8. Назовите полиплоидные культурные растения?
9. Какие цели ставил в своих опытах по селекции плодовых культур
И.В. Мичурин случаях они применяются?
10. Какие сорта плодовых растений вывел И.В. Мичурин?
11. Каким образом преодолевал И.В. Мичурин нескрещиваемость
растений?
12. Каким
образом
И.В.
Мичурин
добивался
усиления
доминантности признаков у гибридов?
13. Какую роль сыграли экспедиции, возглавляемые Н.И.
Вавиловым, для селекции растений?
14. Где расположены главнейшие центры видового многообразия
культурных растений?
Лабораторная работа №8
Тема: «Концепции физиологии человека»
Выполнение работы:
1. Выполнить опыт «Определение времени наступления утомления
при статической и динамической работе».
Оборудование. Мел и 3-5-килограммовые гантели (последние можно
заменить любым другим грузом, например портфелем), секундомер.
Проведение 1-го опыта. Учитель вызывает в качестве испытуемого
одного студента к доске, предлагает ему взять в руку груз и держать его в
отведенной в сторону руке. Поставить испытуемого надо близко к доске с
таким расчетом, чтобы меловой линией отметить уровень, на котором будет
удерживаться груз. После того как приготовления окончены, испытуемому
надо по команде педагога отвести руку с грузом в сторону и закрыть глаза.
Задача опыта состоит в том, чтобы измерить, сколько секунд испытуемый
может продержать груз в руке, отведенной в сторону.
После окончания опыта время удержания груза записывают на доске,
испытуемому дают отдохнуть 5-10 мин, а затем приступают ко второму
опыту.
Проведение 2-го опыта. Испытуемому предлагают той же рукой
поднимать тот же груз до меловой отметки и опускать его в удобном для
него ритме. Студентам напоминают, что испытуемый устал и что после
полноценного отдыха он мог бы проделать большую работу. По сигналу
преподавателя включают секундомер, и испытуемый начинает работу.
Однако дожидаться предельного утомления не следует: как только
испытуемый превысит на 10-15 с . результат, достигнутый при статической
работе, опыт прекращеют.
Сделать вывод:
2. Выполнить опыт «Изучение последствий перетяжки пальца».
Оборудование. Мягкая нитка или аптечное резиновое кольцо.
Проведение опыта. Испытуемым предлагают на палец накрутить
резиновое кольцо, перегибая его несколько раз восьмеркой, или обмотать
ниткой. Перетяжка должна быть не очень тугой. Палец должен стать синебагровым и плотным на ощупь. Если палец стал белый, перетяжку надо
несколько ослабить. После окончания опыта резинка снимается, а палец
массируется.
Цель опыта – показать зависимость образования тканевой жидкости от
давления крови в капиллярах и выяснить изменения.
Вопросы:
1. Почему палец сделался багровым?
2. Почему палец стал плотным?
3. Как снабжаются кислородом ткани, изолированные перетяжкой?
4. После снятия резинки, в какую сторону следует массировать палец?
3. Выполнить опыт «Изучение условий действия ферментов слюны».
Оборудование: Накрахмаленные картофельным крахмалом бинты,
спички, вата, иодовая вода, ножницы, блюдца.
Крахмальный бинт для опыта готовят так. Берут четверть ложки
крахмала, разводят его в небольшом количестве холодной воды и вливают в
кипящую воду. Кипятить при помешивании надо10-15 мин. После этого
бинты помещают в крахмальную воду, вынимают, расправляют,
высушивают. Затем бинт разрезают на куски длинной по 10 см. Каждая
рабочая группа получает по 4 куска бинта, вату (лучше глазную стерильную
в упаковке, которая вскрывается перед опытом, но можно обычную), спички
и блюдце с иодовой водой.
Проведение опыта. Испытуемый наматывает ватный тампон на
спичку, смачивает его слюной и пишет на куске бинта первую букву своей
фамилии. Затем он зажимает бинт в руках и выдерживает его в тепле около
минуты. После он расправляет бинт и опускает в блюдце с иодовой водой. На
синем фоне появляется белая буква. Для контроля берут другую спичку с
ватным тампоном, макают его в воду и то же самое проделывают с другим
куском бинта. После обработки этого куска иодной водой получается
однотонное синее окрашивание.
Вопросы.
1. Почему, когда мы обработали накрахмаленный бинт слюной,
появилась белая буква, а когда нанесли воду, буквы не было?
2. Почему опыт не у всех получился одинаково хорошо?
4. Выполнить опыт «Определение времени задержки дыхания до и
после нагрузки».
Оборудование: секундомер или часы с секундной стрелкой.
Перед опытом педагог предлагает записать следующую схему для
оформления результатов опыта.
Таблица№1 Сравнение максимальной продолжительности задержки
дыхания в состоянии покоя и после приседаний
Максимальная
Время (с)
Процент от времени
продолжительность
задержки дыхания в
задержки дыхания
состоянии покоя
В состоянии покоя
После 10 приседаний
Проведение 1-го опыта. По команде педагога все студенты
задерживают дыхание. Через каждые 5 с. громко объявляется время с
момента начала опыта, отмечая 5,10,15 и последующее число секунд. После
непроизвольного восстановления дыхания каждый студент записывает
первое из услышанных после этого чисел и проставляет результат в графу,
соответствующую времени максимальной задержки дыхания в состоянии
покоя.
После выполнения первой части опыта испытуемым необходим отдых.
Проведение 2-го опыта. Испытуемым предлагается встать, выйти из-за
парты и в быстром темпе сделать 10 приседаний. Движения лучше
выполнять строго по команде, чтобы все участники работали в одном ритме
и получили одинаковую нагрузку. После выполнения приседаний педагог
предлагает студентам быстро сесть на место и снова задержать дыхание.
Давать передышку и ждать, пока дыхание нормализуется, нельзя. Надо,
чтобы избыток углекислого газа, накопившейся после работы в крови к
моменту второй задержки дыхания, сохранился. В противном случае
результаты опыта будут искажены. Измерение времени задержки дыхания
производится тем же способом. Результат каждый из студентов записывает в
графу таблицы, соответствующую максимальной продолжительности
задержки дыхания после нагрузки.
После этого он вычисляет, какой процент составляет максимальное
время задержки дыхания после работы относительно его задержки в
состоянии покоя.
Чтобы общая закономерность была для всех учащихся очевидна, все
полученные результаты выписывают на доске.
Таблица №2 Отражение результатов опытов с задержкой дыхания на
классной доске
Время задержки дыхания (с)
№п/п
Процент от времени
задержки дыхания в
состоянии покоя
до работы
после работы
1
2
3
Вопросы
1. Почему дыхание непроизвольно возобновляется после задержки?
2. Почему после приседаний удалось задержать дыхание на меньшее
время, чем до работы?
3. У тренированного или нетренированного человека разница в задержке
дыхания до и после работы будет более значительной?
Оценка результатов. Результаты считаются хорошими, если в состоянии
покоя удается задержать дыхание на 35-40 с. Более низкие результаты
следует оценить как слабые, более высокие как отличные. Если после
нагрузки время задержки дыхания составило 70% и больше от результатов в
состоянии покоя, то тренированность человека можно считать высокой, если
от 50 до 70% - удовлетворительной, а если менее 50% - то слабой.
Лабораторная работа №9
Тема: «Изучение показателей здоровья человека»
Цель работы: Оценка показателей здоровья учащихся, их
соответствие возрастным нормам.
Выполнение работы:
1. Выполнить задание «Определение гармоничности физического
развития по антропометрическим данным».
Оборудование. Ростомер, напольные весы, сантиметровая лента.
Антропометрические измерения проводятся в парах .
1. Измерить рост с помощью ростомера. Обследуемый должен стоять
на платформе ростомера, выпрямившись и касаясь вертикальной стойки
пятками, ягодицами, межлопаточной областью и затылком.
2. окружность грудной клетки измеряется с помощью сантиметровой
ленты. Лента накладывается сзади по нижним углам лопаток при отведенных
в сторону руках. Обследуемый опускает руки, и лента ложится под углы
лопаток. Спереди лента проходит по среднегрудинной точке. Лента должна
плотно прилегать к телу.
3. Определить массу тела с помощью весов.
Пользуясь
процентными
величинами
таблицы№1
найдите
соответствующий «коридор» для каждого их ваших показателей (на
пересечении возраста и величины показателя). «Коридор» процентных
величин характеризует встречаемость показателя данного признака в
различных половых и возрастных группах. Чем больше значение «коридора»,
тем ближе ваши показатели к среднестатистическим данным.
Таблица №1 Процентные величины длины тела, см
«Коридор» и соответствующие ему показатели
Возраст Пол
лет
1
2
3
4
5
6
7
159,3
163,0
168,1
181,2
185,1
187,9
17-18
м
154,1
157,3
161,2
170,0
173,1
175,5
д
Таблица №1 Процентные величины массы тела, кг
Возраст Пол
«Коридор» и соответствующие ему показатели
лет
1
2
3
4
5
6
7
46,4
50,5
56,8
70,6
78,0
86,2
17-18
м
45,2
48,4
52,4
62,0
68,0
79,0
д
Таблица №1 Процентные величины окружности груди, см
Возраст Пол
«Коридор» и соответствующие ему показатели
лет
1
2
3
4
5
6
7
77,0
80,1
82,9
92,2
95,5
98,4
17-18
м
75,4
78,0
80,7
88,0
91,1
94,6
д
2. Выполнить задание «Изучение функционального состояния
дыхательной системы».
Оборудование. Секундомер
Выполнение работы
1. Сделайте обычный вдох. Задержите дыхание, сколько сможете,
зажав нос пальцами. Зафиксируйте время задержки.
2. Сделайте обычный выдох. Задержите дыхание, сколько сможете,
зажав нос пальцами. Зафиксируйте время задержки.
3. Выполните дозированную нагрузку – ходьба по коридору (44 м) в
течение 30 секунд.
4. Повторите задержку дыхания на выдохе. Зафиксируйте время
задержки.
Обработка результатов и выводы
Сделайте вывод о функциональном состоянии вашей дыхательной
системы, используя следующие данные:
у здоровых детей 18 лет время задержки дыхания на
вдохе колеблется от 16 до 55 секунд;
задержка дыхания на выдохе 12-13 секунд;
при дозированной физической нагрузке на норму
принимается уменьшение времени задержки дыхания на
выдохе не более, чем на 50%
3. Выполнить задание «Изучение функциональных возможностей
сердечно-сосудистой системы».
Оборудование. Метроном, ступеньки деревянные высотой 35-50 см,
кушетка
I. Гарвардский «степ-тест»
Выполнение работы
1. Подберите ступеньку, соответствующую вашему росту: бедро ноги,
поставленной на ступеньку, должно быть параллельно полу.
2.Поднимайтесь на ступеньку в течение 5 мин в темпе 30 раз в минуту.
Каждый подъем (под метроном) выполняется на 4 счета: «раз» - одной
ногой на ступеньку, «два» - другой ногой, «три» - одной ногой на пол,
«четыре» - другой нагой на пол.
Если не можете выдержать заданный темп, то подъем прекратите,
зафиксировав время начала теста (в секундах).
3. Подсчитайте пульс в течение первой половины второй минуты после
прекращения работы.
4. Рассчитайте индекс (А) по формуле
А= (Продолжительность работы, сек) x100
5,5x (Частота пульса)
Обработка результатов и выводы
Используя данные таблицы, сделайте вывод о функциональном
состоянии вашей сердечно-сосудистой системы
Индекс А
Характер функциональной
активности сердечно-сосудистой
системы
<50
Низкая
50-80
Средняя
>80
Высокая
II. Ортостатическая проба
Учитывается изменение реакции организма при переходе из
горизонтального положения в вертикальное.
Выполнение работы
Работа проводится в парах.
1. У обследуемого после 3-5 минутного спокойного лежания
подсчитайте частоту пульса в течение 1 мин по 10-секундым промежутками.
2. Затем таким же образом подсчитайте частоту пульса у резко
поднявшегося обследуемого
Обработка результатов и выводы
Сделайте вывод о характере реакции сердечно-сосудистой системы
обследуемого на ортостатическую пробу.
Реакция благоприятная, если пульс учащается не более, чем на 4 удара
минуту.
Реакция неблагоприятная, если пульс учащается на 40 и более ударов в
минуту, что говорит о невозможности выполнять физическую нагрузку.
Обобщив все полученные данные, сделайте вывод о состоянии
здоровья обследуемого. Предложите пути решения его улучшения.
Приложение 1
Рис. 1. Схема строения ДНК (двойная спираль)
Рис. 2. Участок двойной спирали ДНК
Приложение 2
Рис. 1. Схема фотосинтеза
Рис. 2. Схема синтеза и-РНК
Рис 3. Схема т-РНК
Рис. 4. Механизм работы рибосомы
Приложение 3
Рис. 2. Схема митоза
Рис. 3. Схема мейоза
Приложение 4
Рис. 1. Моногибридное скрещивание ночной красавицы
Рис. 2.Дигибридное скрещивание гороха
Составитель – Гусев Алексей Николаевич
II ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ
Фрагменты лекционного курса
Тема 1. Введение, история и задачи курса экология.
Термин «Экология» происходит от греческого «ойкос» (дом, жилище)
и «логос» (учение, наука), то есть в дословном переводе означает – наука о
доме (быте) живых организмов. Впервые этот термин возник в 1866 г., но
был предложен немецким биологом Э.Геккелем. Однако наиболее полное
определение звучит так: экология – это наука о взаимосвязи
(взаимоотношениях) живых организмов между собой и окружающей
природой (в том числе, неживой) средой.
Историю развития этой науки можно условно как – бы подразделить на
3 периода: эпоха Античности, эпоха Возрождения и современный период.
1. Эпоха Античности (VIII в.до н.э. – V в. н.э.) – начало осознания
человеком своего места в природе, без ущерба ей.
 Эмпедокл (487 – 424 г.г. до н.э.) – греческий философ и врач. Считал,
что жизнь появилась из неживой природы, а организмы изменяются
под воздействием факторов среды.
 Аристотель (384 – 322 г.г. до н.э.) – греческий философ, учёный –
энциклопедист.
 Теофраст, ученик Аристотеля – отец ботаники, изучал приспособления
растений к условиям окружающей среды.
 Гиппократ (460 – 377 г.г. до н.э.) – греческий врач, говорил: «лечить
людей надо с учётом факторов окружающей среды (климат, вода,
почва, законы страны).
2. Средние века – характеризуются ослаблением интереса к изучению
природы и господством богословия и схоластики.
3. Путешествия и открытия Х. Колумба (1451 – 1506 г.г.), Ф. Магеллана
(1480 – 1521 г.г.), Н. Коперника (1473 – 1543 г.г.), Г. Галилея (1564 –
1642 г.г.) позволили изучить нашу планету Земля; различия в
животном и растительном мире разных континентов земли.
4. Современные экологические представления.
Жанн Батист Ламарк (1744 – 1829 г.г.) – английский учёный создал
концепцию эволюции живых организмов, согласно которой главной
причиной развития видов является стремление к самосовершенствованию и
влиянию внешних условий.
Ч. Дарвин (1809 – 1882 г.г.) – разработал «Теория происхождения видов
путём естественного отбора», которая состоит из трёх компонентов:
наследственность, изменчивость, естественный отбор. Основы этой теории –
борьба живых организмов за существование, в результате чего выживает
даже не сильнейший вид, а лучше приспособленный к условиям среды.
Большой вклад в развитие экологии внесли и отечественные учёные. Так,
К.Ф. Рулье (1814 – 1858 г.г.) изучал зоологию в связи с взаимоотношениями с
окружающей средой. Известны такие работы Н.А. Севернова, В.И. Сукачёва,
В.А. Алёхина, К.А. Тимирязева, Н.А. Максимова.
В.И. Вернадский (1863 – 1945 г.г.) – русский учёный с мировым именем
создал учение о биосфере – самой крупной экосистеме планеты. Известны
также работы В.В. Докучаева, Д.Н. Кашкарёва, М.С. Гилярова. Н.Д.
Реймерса, Н.Н. Моисеева и др.
В настоящее время экология – это разветвлённая система наук, которая
включает общую экологию, экологию популяций, экологию ландшафтов,
экологию человека, прикладную экологию и т.д.
Экология сейчас является теоретической основой охраны природы и
рационального природопользования.
Экологические проблемы, вставшие перед человечеством во второй
половине XX века, стали предметом озабоченности всего мирового
общества.
Тема 2. Среды жизни организмов и экологические факторы.
Среда обитания – это часть природы, окружающая живые
организмы и оказывающая на них определённое воздействие. На нашей
планете живые организмы освоили четыре среды обитания: водную, наземновоздушную, почвенную и живой организм как среда обитания.
Водная среда была первой, в ней зародилась жизнь, и появились
первые живые организмы. Затем они освоили наземно-воздушную среду,
создали и заполнили почву. Живой организм как среду обитания освоили
паразиты и симбионты.
Водная среда самая древняя. Освещённость в ней достигает 50 – 60
метров, а давление воды увеличивается в ней на 1 атмосферу при
погружении на каждые 10 метров. Содержание кислорода в воде не
превышает 1%, солёность воды увеличивается при переходе от пресных вод к
морским и океаническим. Это среда относительно однородная в
пространстве и стабильная во времени, здесь менее резко изменяется
температурный режим. Живые организмы адаптировались к ней, приобретя
обтекаемую форму тела, слизистые покровы, развитие воздухоносных
полостей.
Наземно-воздушная среда имеет более резкий контраст температуры,
отличается большей разряжённостью, обилием света и кислорода (до 20,8%).
Она более гетерогенна в пространстве, очень подвижна (динамична) во
времени. В связи с большей силой притяжения, чем в водной среде,
животные выработали более мощный скелет, сформировали более
совершенный механизм терморегуляции, освободили половой процесс от
жидкой среды.
Почвенная среда обитания выработана самими организмами в
результате их взаимодействия с неорганическими компонентами земного
покрова. Она осваивалась одновременно с наземно-воздушной средой,
отличается дефицитом или полным отсутствием света, высокой плотностью.
Эта среда состоит из трёх фаз: твёрдой, жидкой и газообразной. Она
неоднородна в пространстве, но более постоянна во времени, чем в наземновоздушной среде. Животные почвенной среды имеют влажноватую форму
слизистые покровы, копательный аппарат (крот). Для многих групп
организмов (насекомые, черви, бактерии) характерны небольшие размеры и
эфемерность (легкий переход от активного состояния и наоборот).
Организменная среда также очень древняя. Это может быть
пищеварительный тракт животных, кровь, лимфа, мышцы. Отличается
большим постоянством физических и химических параметров, чем другие
среды. Это могут быть как паразиты хозяина (гельминты, болезнетворные
бактерии), так и симбионты (молочнокислые бактерии).
Каждая из указанных сред обитания организмов отличается
особенностями воздействия экологических факторов. Экологические
факторы – это отдельные элементы среды, которые воздействуют на
организмы. Выделяют три группы экологических факторов: абиотические,
биотические и антропогенные.
Абиотические факторы – это компоненты неживой природы. К ним
относят: климатические (свет, температура, вода, состав атмосферного
воздуха, ветер, давление, рельеф, тип почв и др.).
Биотические факторы – воздействие живых организмов друг на друга
(взаимодействие между особями в популяциях и между популяциями в
сообществах). При этом взаимодействия могут быть внутривидовыми (между
особями одного вида) и межвидовыми (между особями разных видов).
Антропогенные факторы – деятельность человека, приводящая либо
к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их
обитания. При этом различают воздействие человека, как биологического
организма, так и его хозяйственная деятельность (техногенные факторы).
Тема 3. Экология популяций.
Биологический вид – это совокупность особей, имеющих
наследственное
сходство
морфологических,
физиологических
и
биохимических особенностей, свободно скрещивающихся, дающих
плодовитое потомство и занимающих определенный ареал. Виды часто
занимают большой ареал, в пределах которого особи распределены
неравномерно, группами – популяциями. Целостность вида поддерживается
связями между популяциями.
Популяция – совокупность свободно скрещивающихся особей одного
вида, занимающая длительное время определенную часть ареала
относительно обособленно от других совокупностей того же вида.
Популяция является структурной единицей вида и единицей эволюции.
Популяция характеризуется рядом свойств: численность, плотность,
рождаемость, смертность, прирост.
Численность – число особей в популяции. Она может значительно
изменяться во времени и зависит от биологического потенциала вида и
внешних условий.
Плотность – число особей, или биомасса популяции, приходящаяся
на единицу площади или объема.
Рождаемость – число особей, появившихся за единицу времени в
результате размножения.
Смертность – число особей, погибших за единицу времени.
Скорость роста популяции – изменение её численности в единицу
времени, она может быть положительной, нулевой и отрицательной. Это
зависит от соотношения рождаемости, смертности и миграции.
Гомеостаз популяций – поддержание оптимальной численности
особей внутри популяции.
Члены популяции оказывают друг на друга не меньшее влияние, чем
физические факторы среды или другие виды. В популяциях проявляются все
типы взаимоотношений, характерные для межвидовых связей. Но наиболее
ярко – мутуалистические (взаимовыгодные) и конкурентные. Кроме
адаптивных возможностей отдельных особей, популяции обладают ещё и
групповой адаптацией.
Соседние популяции сообщаются друг с другом в процессах
расселения, переноса семян и зачатков, сезонных миграций.
Анализ возрастного и полового состава популяций важен для прогноза
численности тех видов, которые мы используем в дикой природе, разводим
или с которыми боремся: в сельском и лесном хозяйстве, в рыбном
промысле, в биотехнологиях.
Тема 4. Биоценозы, экосистемы.
Впервые понятие «биоценоз» ввел в экологическую науку немецкий
ученый К. Мёбиус в 1877г. Этот термин происходит от греческих слов
«биос» (жизнь) и «ценоз» (сообщество). То есть биоценоз – это совокупность
совместно проживающих и связанных друг с другом видов живых
организмов.
Структура биоценоза:
Популяция → фитоценоз → зооценоз → микробоценоз. Если к этой
цепочке прибавить термин биотоп (от греч. «Топос» - место); то образуется
новое, более сложное понятие «биогеоценоз» или «экосистема».
В природе биоценозы могу быть разного масштаба: биоценоз
разрушающегося пня, луга, леса, водоёма; могу быть биоценозы, созданные
человеком (агроценозы): аквариума, теплицы, поля, сада, огорода.
Биоценозы – не случайные собрания организмов. В сходных
природных условиях и при близком составе фауны и флоры возникают
сходные, закономерно повторяющиеся биоценозы. Например, в разных
дубравах в полосе широколиственных лесов мы можем встретить также
липу, клен, лещину, рябину, калину, бересклет и малину; из трав – сныть,
ветреницу дубравную, ландыш майский и др. Среди животных – белку,
кабана, мышь, зайца, лису, лося и др.
В экосистемах (биоценозах) происходит биологический круговорот
химических элементов и энергии. Этот процесс особенно отчетливо
прослеживается в цепях питания и правиле экологической пирамиды, о чем
будет сказано ниже.
Русский
эколог
Беклемишев
В.Н.
(1890-1962г.г.)
предложил
классификацию взаимоотношений организмов в биоценозах.
1. Трофические связи (по способу питания) – один вид питается либо
другими видами, либо их мертвыми остатками, либо продуктами
жизнедеятельности. И здесь прослеживаются экологические цепи
питания. Например: трава → заяц → лиса → волк → микроорганизмы
(или грибы). Трава здесь выполняет функцию продуцентов
(производителей органического вещества); заяц, лиса, волк – функцию
консументов (потребителей органического вещества); микроорганизмы
и грибы – функцию редуцентов (разрушителей органического
вещества).
2. Топические связи (от гр. «топос» - место) – физическое или
химическое изменение условий обитания одного вида за счет
жизнедеятельности другого вида. Например, лес создает хорошие
микроусловия для многих видов растений и животных. Поэтому
трофические и топические связи являются главными в биоценозе.
3. Форические связи - это участие одного вида в распространении
другого. Зоохория – перенос животными семян, спор, пыльцы
растений. Форезия – перенос крупными животными – белее мелких
(клещи, яйца и личинки насекомых и др.).
4. Фабрические связи – когда виды используют для своих сооружений
(фабрикаций) продукты выделения, либо мёртвые остатки, либо живых
особей другого вида.
5. Паразитизм – организм-потребитель использует живого хозяина не
только как источник пищи, но и как место постоянного или временного
проживания.
6. Комменсализм – когда деятельность одного вида доставляет пищу или
убежище другому виду (комменсалу). Например, рыба – прилипала и
акула, гиена и лев.
7. Мутуализм – взаимовыгодное сожительство двух видов (водоросли и
грибы в теле лишайника, азотофиксирующие бактерии на корнях
бобовых растений и т.д.).
8. Нейтрализм – совместное проживание видов, не влияющих друг на
друга (лоси белки в лесу).
9. Аменсализм – один вид ухудшает условия жизни другого, например,
деревья затеняет траву.
10. Конкуренция – отношения между видами со сходными
экологическими требованиями. Например, саранча и сайгаки за траву в
лесу.
Тема 5. Основы учения о биосфере.
Биосфера – оболочка жизни планеты. Земля, населённая
совокупностью живых организмов. Основатель учения о биосфере академик
В.И. Вернадский (1863 – 1945 г.г.) говорил: «Организмы изменили и
изменяют земную кору и атмосферу. Растительная часть биомассы за
миллиарды лет очистила атмосферу от углекислого газа и обогатила
кислородом, привела к накоплению углерода в известняках, каменном угле,
нефти, торфе, сланцах».
Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для
жизни различных организмов: верхний предел – озоновый слой атмосферы (≈
15-25 км.), здесь можно встретить споры грибов, бактерии, пыльцу растений;
нижний предел – вся глубина гидросферы (> 11000 м.) и до 3 км. В
литосферу, где температура поднимается не > 100оС (анаэробные бактерии).
Основные свойства живого вещества (биомассы) биосферы следующие:
способность к размножению (воспроизводству) и обмен веществ с
окружающей средой. Особенное значение в биосфере имеет выделение
кислорода, и поглощение углекислого газа при фотосинтезе зелёных
растений, так как при этом образуется органическое вещество и используется
энергия солнца.
В биосфере масса растений (97%) во много раз превышает массу
животных (3%). Вся биомасса планеты составляет 2,4*1012 т. В круговороте
веществ биомасса выполняет следующие функции:
1. Газовая функция – растения выделяют кислород в процессе
фотосинтеза; растения и животные выделяют углекислый газ при
дыхании; бактерии восстанавливают азот, сероводород и др.
2. Концентрационная функция – «захват» живыми веществами
химических элементов и накопление их в земной коре.
3. Окислительно-восстановительная функция – окисление веществ с
помощью организмов в почве и гидросфере с образованием солей,
оксидов и других соединений, а также в восстановлении ряда веществ
(сероводорода, сернистого железа и др.). В результате деятельности
микробов в земной коре образовались отложения известняков,
бокситов, руды и др.
4. Биохимическая функция - связана с питанием, дыханием и
размножением; с разрушением гниением отмерших организмов. Все
эти организмы проявляются в биогенной миграции атомов. В биосфере
в течение 2 млрд. лет идут изменения, границы её расширяются,
проникая в безжизненные области планеты.
Биосфера – грандиозная система всего живого вещества и круговоротов
химических элементов на Земле, но система открытия, так как в неё
постоянно вливается поток солнечной энергии.
Тема 6. Биосфера и человек. Ноосфера.
Человечество представляет небольшую биомассу в биосфере, но
оказывает на неё сильное (планетарное) влияние. В процессе
природопользования человечество перемещает на планете более 4 трл. т.
вещества, создаёт тысячи новых химических соединений, которые не
включаются в общий круговорот веществ и накапливаются в биосфере,
вызывая её загрязнение. В развитии биосферы наступил такой период, когда
человек должен планировать свою хозяйственную деятельность таким
образом, чтобы она не нарушала сложившейся в этой гигантской экосистеме
закономерности, не приводила к сокращению биомассы.
Настоящий период хозяйственной деятельности человека можно
назвать развитым индустриальным обществом, находящимся в состоянии
глобального экологического кризиса. Чтобы перейти от производственного
хозяйства к ноосферному самоограничению необходимо сделать самую
«малость» - построить общество саморегуляции.
Главной экологической задачей человечества должно считаться
сохранение
естественной
биоты
на
Земле,
которое
должно
саморегулироваться полным прекращением освоения естественной биоты
океана и его восстановлением значительно освоенной части суши. Человек,
став мощным геологическим фактором, оказывает глобальное воздействие на
биосферу. Биосфера со своей стороны, диктует ему свои экологические
законы, в том числе и законы о биотической регуляции окружающей среды,
которые он должен соблюдать, чтобы выжить. Создаются условия, очень
напоминающие сопряженную эволюцию или коэволюцию «человекбиосфера». Продуктом такой коэволюции может быть так называемая
«ноосфера». Венцом творчества В.И. Вернадского и стало учение о ноосфере.
Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера, разума) – высшая стадия
развития биосферы. Это сфера взаимодействия природы и общества, в
пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным,
определяющим фактором развития.
В.И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное
явление на нашей планете», а «природное явление». Нооосфера –
окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ
и энергии контролируются обществом. Воздействие человеческого общества
на природу резко отличается от воздействий других форм живого вещества.
Организмы влияют на историю тех атомов, которые нужны им для роста.
Размножения, питания, движения, а человек – еще и на элементы, нужные
для техники и создания цивилизованных форм жизни, что и принесло
«вечный бег геохимических циклов». Эти гениальные мысли В.И.
Вернадского позволили ряду ученых допустить в дальнейшем и такой ход
событий в эволюции биосферы, как коэволюцию между человеческим
обществом и природной средой.
Становление ноосферы по В.И. Вернадскому процесс длительный, но
ряд ученых полагают, что человечество уже вступило в период ноосферы,
хотя многие считают, что пока об этом говорить рано.
Для этого необходимо проводить развитие в пределах природноресурсных лимитов, перейти от постконфрантационной эпохи экономному
хозяйству, демографическому и экологическому планированию, провести
гуманитарную революцию.
Тема 7. Глобальные экологические проблемы.
На рубеже II – III тысячелетий экономические проблемы обострились
настолько, что биосфера планеты оказалась в состоянии глубокого
экологического кризиса и стоит на грани экологической катастрофы.
Назовём основные экологические проблемы.
Прежде всего, демографическая и продовольственная проблемы. Дело
в том, что, победив в XVIII - XIX в.в. наиболее опасные болезни – тиф, чуму,
холеру – кривая роста человечества пошла резко вверх. На рубеже
тысячелетий оно составило 6,3 млрд. чел. Если эта тенденция сохраниться, то
к концу XXI века численность населения планеты составит 10 млрд. чел. Это
обостряет, прежде всего, снабжение населения продуктами питания. Уже
сейчас 1/3 населения голодает, а недостаток белковой пищи (основа
иммунитета человека) испытывает более половины населения. Эту проблему
можно решить с одной стороны – разумным регулированием роста
численности Homo sapiens, а с другой – совершенствованием продуктов
питания.
Проблема антропогенного изменения климата планеты проявляется в
том, что климат становится суше и теплее. Сухость климата связана с тем,
что сокращается площадь «поставщиков» водных паров в атмосферу: это
площадь листового аппарата растений и загрязнение поверхности мирового
океана, прежде всего, нефтепродуктами так, за последние 30 лет площадь
лесов сократилась на 1/3 (Россия, Франция, Италия, Африка, Латинская
Америка и др.), так как они «работают» на биосферу круглый год.
Загрязнение поверхности мирового океана норвежский мореплаватель Тур
Хейярдон охарактеризовал следующим образом: « За последние четверть
века мировой океан превратился в сточную канаву человечества».
Потепление климата связано с выделением в атмосферу так
называемых «парниковых газов», это, прежде всего оксид и диоксид
углерода. Они, оставаясь близко к поверхности земли, препятствуют
радиационной отдаче тепла нашей планетой. Если эту ситуацию не изменить,
то к середине XXI века температура воздуха на планете может подняться на
0,5ОС. Это приведёт к таянию ледников и поднятию уровня мирового океана.
Что может повлечь к затоплению больших площадей поверхности планеты.
Хищническое отношение к почве, вызывающее её ветровую и водную
эрозию приводит к уничтожению государств и народов: Хорезм, государства
Северной Африки, ценные земли бывшего СССР, мексиканское племя Майя
и др.
Актуальной является также проблема загрязнения атмосферного
воздуха, почвы, гидросферы пестицидами, промышленными и бытовыми
стоками и выбросами, а также радионуклидами. Например, авария на
Чернобыльской АЭС привела к повышению уровня радиации на всей
планете и обострила проблему онкологических других заболеваний.
Проблема энергоресурсов: по данным учёных, разведанных, запасов
нефти хватит на 35 лет, газа – на 50 лет, угля – на 150 лет. А что дальше?
Поэтому, следует уже сейчас активизировать работу по геологоразведке,
разработка более совершенной технологии добычи энергоресурсов, а также
поиску и внедрению так называемых альтернативных источников энергии.
Здесь имеется в виду использование ветровой эрозии, приливоотливные
электростанции, солнечные батареи. Кстати, в Японии уже сейчас появились
автомобили, работающие от солнечных батарей. Перспективно также
использование технологичности и защищенности АЭС.
Проблема пресной воды является также весьма актуальной, ведь на
нашей планете ее всего лишь около 3% от всей гидросферы. Причём, 2% это ледники полюсных ледяных шапок и всего лишь около 1% - пресные
воды суши, как поверхностные, что значительная их часть загрязнена, то
проблема ещё боле обостряется.
Кислотные дожди связаны с выбросами промышленными
предприятиями и автотранспортом в атмосферу и растворением в её водяных
парах оксидов серы и азота. Формирование и выпадение кислотных осадков
приводит к гибели лесов, многих видов животных организмов водоёмов, к
закислению и потере плодородия почв.
Таким образом, из сказанного видно, что решение глобальных
экологических проблем возможно только при объединении усилий всего
мирового сообщества, всех государств мира.
Тема 8. Региональные экологические проблемы.
В этой теме следует остановиться на региональных экологических
проблемах России, Центрально – чернозёмного района и Липецкой области.
Прежде всего, следует отметить, что географическое расположение России в
северном полушарии обусловливает довольно жёсткие климатические
условия по температурному показателю, особенно в азиатской части России.
Климат Европейской части России в некоторой степени смягчается тёплым
атлантическим течением Гольфстрим. Поэтому северный порт Мурманск
круглый год не замерзает. В азиатской же части суровые климатические
условия характерны для значительных областей тундры, лесотундры и
сибирской тайги. Это обстоятельство объясняет то положение, что, не смотря
на большую площадь азиатской части, в ней проживает всего лишь 20%
населения России. Это, конечно, природная экологическая причина.
Вместе с тем, в нашей стране много экологических проблем
антропогенного характера. Прежде всего, у нас в сильной степени
проявляются все указанные выше глобальные экологические проблемы. Это
связано и с географическими, и с историческими причинами, и с пока ещё
низким технологическим уровнем сельского хозяйства, и, к сожалению,
недостаточным уровнем общей и экологической культуры населения.
Необходимо отметить, что в погоне за мировыми рекордами в ряде
стратегических отраслей хозяйства, мы несколько ослабили экологический
контроль. Это касается и радиоактивного загрязнения, и низкого
технического уровня ряда отраслей хозяйства и недостаточного уровня
экологического образования и воспитания населения.
Так, при аварии на Чернобыльской АЭС были заражены
радионуклидами цезия и стронция 20 регионов России. Большой уровень
радиации отмечается в зоне действия и других АЭС, не решены проблемы с
утилизацией и переработкой отработанного ядерного топлива (ОЯТ). Однако,
это обстоятельство не помешало нашему правительству «прикупить»
значительное количество ОЯТ с Запада.
Бурный рост автотранспорта обусловил то обстоятельство, что его
вредные выбросы значительно превысили выбросы «ослабевшей»
промышленности. Особенно если учесть недостаточное качество наших
автодорог, низкий технический уровень и «старость» транспортных средств,
низкое качество отечественного бензина и дизельного топлива.
Центрально – чернозёмный район находиться в центре европейской
части страны, а значит, ему присущи все указанные выше общемировые и
общеевропейские экологические проблемы. Вместе с тем, хотелось бы
сказать о главном богатстве этого региона – мощных чернозёмных почвах,
лучших на всей планете Земля. Если в середине XIX века они содержали до
10 – 12% гумуса (органического вещества), то сейчас в них содержится всего
3-4%. Хотя, мы знаем, что на формирование 1% гумуса природа тратит сотни
лет.
Потеря плодородия почв связана с недостаточным уровнем ведения
сельского хозяйства, водной и ветровой эрозией почв, заражения их
пестицидами и радионуклидами, с недостаточной культурой наших
земледельцев, с мизерными дотациями правительства на развитие села.
В нашей Липецкой области также находят своё проявление, как
указанные выше экологические проблемы, так и присущие ей. Так, г. Липецк
входит в десятку самых «грязных» городов России, в основном, в связи с
работой металлургических комбинатов, которые делают вредные выбросы в
атмосферу воздуха, гораздо больше, чем 7% лесопокрытой площади области.
Наша область находится на пересечении двух федеральных автомагистралей:
Москва – Ростов и Орёл – Тамбов. Это автотрассы повышенной
интенсивности, то есть по ним в среднем проходит более 150 тыс.
автомобилей. ПДК (предельно допустимые концентрации) вредных веществ
на расстоянии 100м. от автотрассы в 10 раз превышает, а вредное действие их
распространяется до 5км. Необходимо продолжить усилия администрации
области по переносу этих автотрасс с густонаселенных районов (г. Елец, г.
Данков, г. Грязи, г. Липецк).
Тема 9. Сельскохозяйственная экология.
Сельскохозяйственная экология (агроэкология) – раздел прикладной
экологии, изучающей взаимоотношения культивируемых человеком
организмов, их популяций и сообществ с окружающей средой.
Основным объектом сельскохозяйственной экологии является
агроэкосистема. Агроэкосистема – это искусственно созданная и регулярно
поддерживаемая человеком экосистема сельскохозяйственных ландшафтов
(полей, искусственных пастбищ, огородов, садов, лесных насаждений т
т.д.). Агроэкосистемы занимают примерно 10% поверхности суши (около 1,5
млрд. га), но при этом дают человечеству > 90% пищ. продуктов.
Основой агросистемы являются искусственные фитоценозы или
зооценозы. Агроэкосистема находится в непосредственной связи с почвой,
почвенной и атмосферной влагой, атмосферным воздухом, грунтовыми
водами.
Агроэкосистемы создаются человеком для получения высоких
урожаев, поэтому кроме энергии солнечного света получают
дополнительную энергию в виду обработки почв, применения минеральных
удобрений и пастбищ. Поэтому биологическая продуктивность агроценозов
обычно выше природных биогеоценозов. Другое отличие агросистемы – она
представляет обычно монокультуру, конечная продукция которой изымается
человеком из естественного отбора, что приводит к разрыву круговорота
веществ. Так как культивируемые человеком виды растений и животных
созданы
за
счет
искусственного
отбора,
то
такие
виды
неконкурентоспособны с дикими видами, поэтому они не могут
существовать без поддержки человека.
Почва. Мировая наука с тревогой оценивает возможные последствия
для планеты изменения природной суши, вызванное индустриальной и
аграрной деятельностью человека. Наряду с атмосферой и гидросферой
негативным воздействиям подвержена и почва.
Всего в мире обрабатываемые почвы, за использованием пастбищ,
занимают сегодня около 11% суши, а испорченные земли (овраги, сливы) –
3%. Т.е. >25% обрабатываемых земель. Если же считать и земли, выведенные
из землепользования в связи с подтоплением, засолением и т.п., то за все
время своего существования человечество потеряло половину всех земель,
пригодных для сельского хозяйства.
Ресурсы сельскохозяйственных угодий убывают за счет эрозии,
выдувания, заболачивания, засоления, радиационного загрязнения,
зарастания мелколесьем и кустарником, отчуждения под строительство
городов
и
поселков,
промышленных
предприятий,
прокладкой
коммуникаций. Почвы, великое богатство России буквально «горят у нас под
ногами», сокращая валовые сборы основных сельскохозяйственных культур.
Эрозия почв – смыв текучей водой делится на поверхностную и
линейную (овражную). Не меньше, если не больше потери приносит
ирригационная (поливы) эрозия – разрушения и переотложения почв и
грунтов в процессе полива или дождевания.
Наряду с уклоном овражной территории причиной ирригационной
эрозии являются низкая водопроницаемость почв и их невысокая
противоэрозийная устойчивость.
Ущерб от загрязнения окружающей среды продуктами слива
существенно превосходит ущерб от самой ирригационной эрозии. Масштабы
загрязнения поверхности вод смытыми с полей удобрениями и пестицидами
ставят сельское хозяйство в один ряд с промышленностью.
Дефляция (выдувание почвы ветром) различается на повседневную,
когда почва пылит под ветром малой скорости и вызываемую ветром
большой, иногда ураганной скорости (пыльные бури).
Опасные виды антропогенной дефляции возникают при введение в
сельскохозяйственный оборот земель без учета возможной ветровой эрозии.
Распахивание целинных земель в Казахстане существенно существенной
активизировал пыльные бури.
Уплотнение почв ходовыми системами машинно-тракторных
агрегатов. С уплотнением почв уменьшается их общая пористость,
ухудшается доступ влаги к растениям, снижается аэрация и скорость
фильтрации воды, затрудняется рост корней.
В нашем земледелии принята технология раздельного проведения
вспашки внесения удобрений, посева, боронования, междурядных обработок
и т.п. Поэтому все типы тракторов, включая тяжелые (МТЗ-82, К-700 и др.)
многократно проходят, но только уплотняя почву на глубину до 2 м.,
особенно рыхлую и увлажненную. Это приводит к ухудшению структуры
почвы, снижению водо – и воздухопроницаемости.
Дегумификация почв – процесс потери почвами гумуса (органического
вещества). Это отмечается во всех регионах России в том числе - в её
основной житнице – черноземной зоне. Так, содержание гумуса в почвах
ЦЧО за столетия снизилось с 10%-14% до 6%-*8%, хотя на формирование
1% гумуса природа тратит сотни лет.
Основные причины дегумификации:
 недостаточное поступление в почвы биомассы «сырья» для
процессов гумификации;
 ускорение минерализации органического вещества вследствие
интенсивной обработки почвы и применения удобрений;
 потеря гумуса за счет эрозии и дефляции.
Если подсчитать ожидаемые потери гумуса, то поданным многих
исследователей уже к 2010 г. во многих типах почв его количество может
уменьшится до половины в слое – 0,20 см.
Закисление почв. Большинство культурных растений способно хорошо
расти на нейтральных или близких к ним почвам, однако в практике
встречается много закисленных и щелочных почв. На северной территории
России преобладают кислые почвы (болотные, подзорестые) – 66% от всей
поверхности (pH – 5.0).
В этих почвах – недостаток Са++ и Мg++ и избыток Н+ и Аl+++. Это
обуславливает их неблагоприятные агрохимические свойства. Снижение pH
ухудшает усвоение N,P,K, микроэлементов.
Закисление почв может происходить при выпадении кислотных
осадков и поливе закисленными водами.
Засоление почв может быть вызвано в основном поливами
некачественной засаленной водой.
Загрязнения почв – происходит в результате применения минеральных
органических удобрений, пестицидов, особенно при нарушении доз их
внесения.
При этом происходит минерализация гумуса, потеря почвой NO2,
который выделясь в атмосферу способствует разрушению озонового слоя.
Избыток
нитритов
и
нитратов
ухудшает
качество
сельскохозяйственной продукции, вызывает у человека и животных
расстройства пищеварения, канцерогенные осложнения.
Избыточно вносимые минеральные удобрения с поверхностным и
подземным стоками поступают в реки и озера и вызывают их «цветение»,
редко ухудшая качество вод.
Особенно опасно загрязнение почв пестицидами (ядохимикатами),
которые уничтожают не только вредные растения, насекомых, но и полезные
виды. Обычно используется по назначению 4%-5% пестицидов, остальные
накапливаются в природной среде, часто с непредсказуемыми последствиями
(ДДТ, ГХЦГ и т.д.). Напротив фосфорорганические пестициды (карбофос,
метофос – быстро разлагаются).
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ ПО ЭКОЛОГИИ
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
Тема 1. История и задачи курса экологии.
Дать характеристику основных этапов в развитии экологии как
науки.
Назвать подразделы экологии в связи с объектами изучения:
аутэкология, демэкологии, синэкология, глобальная экология.
Привести примеры, расшифровывающие методы экологических
исследований: наблюдение, сравнительный, экспериментальный,
моделирование.
Пояснить
экологические
законы
американского
ученого
Коммонерра: «Все связано со всем», «Все должно куда-то деваться»,
«Ничто не дается даром», «Природа знает лучше».
Тема 2. Среды жизни организмов
Дать характеристику основных сред обитания организмов.
Назвать абиотические факторы среды и адаптации к ним
организмов.
Назвать биотические факторы среды и адаптации к ним.
Характеристика антропогенных факторов.
Тема 3 Экология популяций
Чем отличаются понятия биологический вид и популяция.
Определить численность популяции деревьев яблони на площади 10
га при схемах посадка: 8x4, 6x3, 4x2.
Определить плотность популяции деревьев в этих вариантах.
Определить повреждаемость грызунами деревьев в этих вариантах в
% (250 шт, 420 шт, 750 шт)
Тема 4. Биоценозы, экосистемы.
Отличие понятий биоценоз от понятия экосистема.
Дать структуру биоценоза и привести пример пищевой цепи.
В чем заключается правило экологической пирамиды (правило
10%).
Привести пример взаимоотношений организмов в биоценозе по
классификации В.И. Беклемищева.
Тема 5. Основы учения о биосфере.
Дать определение понятия биосфера по В.И. Вернадскому.
Границы распространения «живого вещества» в биосфере.
Анализ функций выполняющих «живым веществом» в биосфере.
Приведете примеры расширения границ распространения «живого
вещества» в биосфере.
Тема 6. биосфера и человек. Ноосфера.
Взаимодействие человека и биосферы на разных этапах развития
цивилизации.
Определение понятия ноосферы по В.И. Вернадскому.
Условия перехода биосферы в состояние ноосферы.
1.
2.
1.
2.
1.
2.
3.
4.
Тема 7. Глобальны экологические проблемы.
Назвать основные глобальные экологические проблемы.
предложить пути решения глобальных экологических проблем.
Тема 8. Региональные экологические проблемы
Региональные экологические проблемы России и пути их решения.
Региональные экологические проблемы, Липецкой области, её
регионов и пути их решения.
Тема 9. Экология сельского хозяйства.
Экологические проблемы, возникающие при ведении сельского
хозяйства.
Отличие агроценоза от биоценоза.
Влияние сельского хозяйства на поверхностные и грунтовые воды.
Деградация почв.
Литература
1. Алексеев М.И., Протасовский Е.М. Охрана окружающей среды. Учеб.
Пособие / ЛИСИ. Л.: 2005. - 80 с.
2. Бекиш О-Я.Л., Гурина Н.С. Пособие по биологии для абитуриентов
медецинских институтов. – Мн., Высшая школа, 1991. – 383 с.
3. Богданова Т.Л. Биология: задания и упражнения. Пособие для
поступающих в вузы. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа,
1991. – 350 с.
4. Богданова Т.Л., Солодова Е.А. Биология. Справочное пособие для
старшиклассников и поступающих в вузы. – М.: АСТ-ПРЕСС ШКОЛА,
2002. – 816 с.
5. Богданкевич О.В. Лекции по экологии. – М.: ФИЗМАЛИТ, 2002. – 208
с.
6. Большой практикум по ФЧЖ в 2-х томах. Том 2. физиология
висцеральных систем. /Под ред А.Д. Ноздрачева. – М., 2007. – 350 с.
7. Биологический энциклопедический словарь /Гл. ред. М.С. Гиляров. –
Редкол. А.А. Баев, Г.Г. Винберг. Г.А. Заварзин и др.. – 2-е изд.,
исправл. – М., Сов. энциклопедия, 1899. – 864 с.
8. Верещагина В.А. Основы общей цитологии: учеб. пособие. — 2-е изд.,
перераб. 2007. — 240 с.
9. Винокурова Н.Ф., Трушин В.В. Глобальная экология. – М., 1998.
10. Закон об охране окружающей природной среды. – М., 1992
11. Концепции современного естествознания: Сер. «Учебники и учебные
пособия». Ростов н/Д.: Феникс, 1997. – 448 с.
12. Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Экология. – 5-е изд., допраб. – М.:
Дрофа, 2002. – 240 с.
13. Никишов А.И. Биология. Конспективный курс: Учеб. пособие. – М.:
ТЦ Сфера, 2000. – 192 с.
14. Пехов А.П. Биология с основами экологии. Санкт-Петербург – Москва
– Краснодар, 2006. – 350 с.
15. Пивоваров Ю.П., В.В. Королик, Л.С. Зиневич. Гигиена и основы
экологии человека /Под ред. Ю.П. Пивоварова. – М., 2008. – 350 с.
16. Потапов А.Д. Экология. – М., 2002
17. Пыльнева Г.Г. и др. Экология и география Липецкого края. – Липецк,
1992.
18. Реймерс Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды. - М.:
Дрофа, 2004. – 304. с.
19. Розанов С.И. Общая экология. СПб., Москва, Краснодар. – М.,2003 –
270 с.
20. Ситаров В.А., Пустовойтов В.В. Социальная экология. – М., 2000 –
350с.
21. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. – М.: Просвещение, 2005. –
183. с.
22. Чернова Н.М. Общая экология: учебник для студентов педагогических
вузов /Н.М. Чернова, А.М. Былова А.М. – М.: Дрофа, 2007. – 411 с.