Организм как биологическая система 1. Разнообразие организмов. Воспроизведение организмов. Онтогенез

Организм как биологическая система
1. Разнообразие организмов. Воспроизведение организмов. Онтогенез
Основные понятия:
разнообразие организмов: автотрофы (фототрофы, хемотрофы), гетеротрофы (сапрофиты,
паразиты), миксотрофы, аэробные и анаэробные организмы, вирусы, способы размножения
(половое и бесполое), гермафродизм, партеногенез, оплодотворение у животных, двойное
оплодотворение у цветковых растений, онтогенез, эмбриональное и постэмбриональное
развитие, биогенетический закон
Любой живой организм (одноклеточный или многоклеточный) является открытой
системой, то есть обменивается с окружающей средой веществами и энергией. Основным
источником для всех организмов служит энергия солнечного света. Зеленые растения
непосредственно используют световую энергию. Все животные и человек живут за счет
запасенной растениями энергии Солнца, превращенной в энергию химических связей
органических соединений.
Таким образом, по способу питания все организмы на Земле можно разделить на две
группы:
1) автотрофы (от греч. autos – сам, trophe – пища) – организмы, способные синтезировать
органические вещества из неорганических – воды, углекислого газа и др. В зависимости от вида
энергии, используемой автотрофами для синтеза органических соединений, их делят на
фототрофы и хемотрофы.
Фототрофы – организмы, использующие энергию солнечного света.
Хемотрофы (от греч. chemia – химия, trophe – пища) - организмы, использующие
энергию, высвобождающуюся при окислении ими неорганических веществ.
К автотрофам относятся фотосинтезирующие зеленые растения, синезеленые водоросли
(цианобактерии), хемосинтезирующие бактерии. Все зеленые растения способны синтезировать
органические вещества из неорганических соединений. В листьях растений находятся
хлоропласты, содержащие пигмент хлорофилл, позволяющий растениям осуществлять процесс
фотосинтеза – преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей
синтезируемых органических соединений.
2) гетеротрофы (от греч. heteros –другой, trophe – пища) – организмы, неспособные
синтезировать органические вещества из неорганических, нуждающиеся в поступлении
готовых органических веществ извне (с пищей).
К гетеротрофам относятся животные, грибы, многие бактерии. Гетеротрофы зависят от
организмов, которые самостоятельно создают для себя все необходимые органические
соединения. В зависимости от того, откуда гетеротрофные организмы получают органические
вещества, их делят на группы:
Группы гетеротрофных
организмов
Сапрофиты
Паразиты
Особенности питания
Питаются мертвыми
органическими остатками
Получают необходимые
питательные вещества от
организма-хозяина (существуют
только на живых организмах
Представители
Многие грибы, бактерии
гниения
Болезнетворные бактерии,
грибы-паразиты, червипаразиты (гельминты)
3) миксотрофы - организмы, которые могут питаться и как автотрофы, и как гетеротрофы,
например, эвглена зеленая, насекомоядные растения.
1
Организмы можно разделить на две группы по отношению к кислороду:
Группы организмов
Аэробные (аэробы)
Анаэробные (анаэробы)
Характеристика
Примеры
Дышат кислородом, необходимым Большинство организмов
для окислительновосстановительных реакций
(энергетический обмен)
Вместо кислорода используют
Эндопаразиты (аскарида),
другие окислители
некоторые симбионты
(кишечная палочка)
Все живые организмы на Земле имеют клеточное строение, кроме вирусов, которые в
отличие от других живых организмов не имеют клеточного строения, они не питаются, не
растут, у них не происходит обмен веществ и энергии. Вирусы (от лат. virus – яд) – неклеточная
форма жизни, но они относятся к живым организмам, так как обладают такими свойствами
живого, как размножение (способны воспроизводить себе подобных), наследственностью и
изменчивостью. Вирусы состоят из органических соединений: молекулы РНК или ДНК и
белковой оболочки, которую называют – капсидом.
Вирусы – внутриклеточные паразиты, вне клетки они не проявляют свойств живого. Во
внешней среде многие имеют вид кристаллов, увидеть их можно только с помощью
электронного микроскопа. Проникнув в клетку, вирус изменяет ее деятельность: она начинает
воспроизводить вирусные нуклеиновые кислоты и белки. Внутри клетки происходит
самосборка вирусов из синтезированных молекул. В клетке синтезируется огромное число
вирусных частиц, клетка погибает, а вирусы выходят из клетки-хозяина и проникают в новые
клетки. Вирусы вызывают многие заболевания: у человека – грипп, оспу, корь, полиомиелит,
СПИД и др.; у растений – мозаичную болезнь листьев, скручивание листьев и др.; у животных –
ящур (демонстрация модели «Язык, пораженный ящуром»), чуму и др.
Способы размножения
↓
Половое
Участвуют две
Происходит с
родительские
помощью
особи (♀ и ♂)
половых клеток
Слияние половых
клеток - гамет
↓
Бесполое
Участвует одна
Происходит без
родительская особь
участия половых
клеток
Простое деление, спорообразование,
деление тела (фрагментация), почкование,
вегетативное размножение
При бесполом размножении участвует одна родительская особь, обмена генетической
информацией с другими особями не происходит. Дочерние организмы – точные копии своего
родителя в генетическом отношении. Различают несколько видов бесполого размножения .
Виды бесполого размножения
Почкование
Примеры
Дрожжи – низшие грибы, гидра – тип
Кишечнополостные.
Вегетативное размножение
Высшие растения – размножение вегетативными
органами или частью органа.
Спорообразование
Некоторые водоросли, мхи, папоротникообразные, грибы.
Деление тела (фрагментация)
Гидра, которая может восстановить тело из 1/200 части,
губки, плоские и кольчатые черви, иглокожие
Простое деление (деление клетки Простейшие (амебы, инфузории, эвглены и др.)
посредством митоза)
2
Вегетативное размножение особенно часто встречается у высших растений,
используются вегетативные органы (корни, стебли, листья) или части органов материнского
организма:
Способы вегетативного
Примеры растений
размножения
Побеги:
1) надземные - стеблевые
Смородина, тополь, комнатные растения – традесканция,
черенки
герань;
- отводки
Смородина, крыжовник, виноград;
- усы
Земляника.
2) подземные –
-
луковицы
корневище
клубни
Лук, чеснок, тюльпан, нарцисс.
Пырей, осот, хвощ, ирис.
Картофель
Корни – коневые черенки
Малина, шиповник, слива, одуванчик
Листья – листовые черенки
Комнатные растения – бегония, узамбарская фиалка
(сенполия)
Бесполое размножение позволяет при благоприятных условиях быстро увеличивать
количество особей данного вида, но при этом не происходит изменений в генетическом
разнообразии, которое может быть полезным для существования вида. Поэтому большинство
организмов размножается половым способом.
В половом размножении участвуют две родительские особи, их половые клетки –
гаметы имеют гаплоидный набор хромосом. При слиянии половых клеток, образуется
оплодотворенная яйцеклетка с диплоидным набором хромосом – генетической информацией от
обоих родителей. Благодаря такому способу размножения происходит увеличение разнообразия
генетического материала.
Половые клетки формируются в половых железах: развитие женских половых клеток
(яйцеклеток) – в яичниках, мужских (сперматозоидов) – в семенниках.
Строение половых клеток:
Половые клетки
Характеристика
Яйцеклетки
Неподвижные,
крупные клетки, так как содержат запас питательных веществ;
имеют оболочки, защищающие развивающийся плод
Сперматозоиды
Мелкие и подвижные клетки;
Строение (у млекопитающих): головка, шейка и хвостик;
в головке находится ядро и комплекс Гольджи с ферментами,
растворяющими
оболочку
яйцеклетки
и
обеспечивающие
проникновения ядра в яйцеклетку;
в шейке находятся митохондрии – источник АТФ, обеспечивающие
энергией клетку для движения, и центриоль для обеспечения
колебания жгутика, расположенного в хвостике
Гермафродиты – обоеполые животные, имеющие мужские и женские половые органы и
образующие мужские и женские гаметы; исторически более древние по сравнению с
раздельнополыми. Гермафродизм наблюдается у кишечнополостных животных, плоских
(бычий цепень) и кольчатых червей, некоторых моллюсков (виноградная улитка).
У некоторых организмов встречается особая форма полового размножения –
партеногенез, при которой развитие нового организма происходит из яйцеклетки без
предварительного оплодотворения.
3
Оплодотворение – слияние мужской и женской гамет – специализированных половых
клеток, имеющих гаплоидный набор хромосом (n).
Наружное
Гаметы попадают в воду,
происходит оплодотворение
ОПЛОДОТВОРЕНИЕ
Внутреннее
где и
Сперматозоиды
попадают
в
организм самки, где и происходит
оплодотворение
↓
↓
Рыбы, земноводные
Пресмыкающиеся, птицы,
млекопитающие
В результате оплодотворения образуется зигота – диплоидная клетка. При
оплодотворении восстанавливается двойной набор хромосом, характерный для соматических
клеток. Зигота приступает к митотическому делению – начинается развитие нового организма.
Для покрытосеменных растений характерно двойное оплодотворение, в результате
которого образуется зигота и эндосперм – запасающая ткань.
Схема двойного оплодотворения у цветковых растений:
Пыльцевое зерно попадает на рыльце пестика
(опыление)
↓
Образуется пыльцевая трубка, по которой перемещаются
два спермия и попадают внутрь семязачатка (в завязи пестика)
↓
Первый спермий сливается с яйцеклеткой
(образуется диплоидная зигота)
↓
Второй спермий сливается с самой крупной диплоидной центральной клеткой
(образуется триплоидная клетка → развитие эндосперма)
↓
После двойного оплодотворения начинается процесс формирования семени и плода
С момента образования зиготы начинается индивидуальное развитие организма –
онтогенез (от греч. ontos – сущее, genesis – происхождение). Наука, изучающая формирование
и развитие организма, называется эмбриология (от греч. embryon – зародыш). Основателем этой
науки считается академик Российской Академии наук К. Бэр. Онтогенез делят на два периода:
эмбриональный, или эмбриогенез, и постэмбриональный.
Эмбриональный – период от момента оплодотворения яйцеклетки (с момента
образования зиготы) до рождения или выхода из яйцевых оболочек.
Постэмбриональный – период с момента рождения и длится до конца жизни организма.
Оплодотворение
(слияние женской и мужской половых клеток, образование зиготы)
↓
ОНТОГЕНЕЗ
↓
Эмбриональное развитие
↓
Рождение или выход из яйцевых оболочек
↓
Постэмбриональное развитие (послезародышевое)
↓
смерть
4
Эмбриональный период. Развитие зародыша начинается с митотического деления зиготы
– период дробления. Сначала возникает вертикальная бороздка – перетяжка цитоплазмы, и
клетка делится на две одинаковые клетки – бластомеры. Затем другая вертикальная бороздка
делит эти два бластомера на четыре, третья горизонтальная делит на 8. Бластомеры не
расходятся. Вертикальные деления сменяются горизонтальными: количество бластомеров
увеличивается – 16, 32, 64, 128 … Постепенно бластомеры располагаются в один слой и
образуют полый шарик – бластулу. Полость внутри бластулы называется первичная полость
тела, или бластоцель.
На следующем этапе эмбриогенеза образуется двуслойный зародыш – гаструла.
Наружный слой клеток называется эктодерма, внутренний – энтодерма (от греч. derma – кожа).
Клеточные слои называются зародышевыми листками. У большинства многоклеточных
животных, кроме губок и кишечнополостных, формируется третий зародышевый листок –
мезодерма (от греч. mesos – средний). Зародыш становится трехслойным. Полость,
образованная внутри гаструлы, называется первичная кишка, а отверстие, ведущее в первичную
кишку, называется первичным ртом.
Следующая стадия развития зародыша называется нейрула. На этой стадии начинается
формирование тканей и органов будущего организма из зародышевых листков.
Значение зародышевых листков:
Формируются:
Экзодерма
Энтодерма
Мезодерма
1) нервная пластинка  нервная трубка (ланцетник)  нервная
система, состоящая из спинного и головного мозга;
2) органы чувств – зрение, слух, обоняние;
3) кожные железы;
4) покровы тела.
1) отделы пищеварительной системы;
2) печень и поджелудочная железа;
3) легкие
1) хрящевой и костный скелет;
2) мышечная система;
3) половая система;
4) сердечно-сосудистая система;
5) выделительная система (почки).
Сравнение зародышей разных животных показало, что развитие эмбрионов в пределах
одного типа сходно и внешне похожи: все хордовые животные на ранней стадии развития
имеют хорду, нервную и кишечную трубки, жаберные щели.
К. Бэр сформулировал закон зародышевого сходства: «В пределах типа эмбрионы,
начиная с самых ранних стадий, сходны». При дальнейшем развитии каждый зародыш
приобретает черты своего вида. Человек начинает свое развитие с одной клетки – зиготы,
которую можно сравнить со стадией простейших. Зигота превращается в бластулу – стадия
аналогична колониальным животным (вольвокс), гаструла является аналогом двуслойных
кишечнополостных. На ранних стадиях эмбриогенеза зародыш человека имеет хорду, жаберные
щели, хвост, напоминает древнейших хордовых (ланцетника). Этот пример показывает связь
между индивидуальным развитием организма и историческим развитием вида, к которому
организм относится.
Ф. Мюллер и Э. Геккель сформулировали биогенетический закон: «Индивидуальное
развитие особи (онтогенез) до определенной степени повторяет историческое развитие вида
(филогенез), к которому относится данная особь».
А.С. Северцев, русский ученый, внес дополнения в этот закон: «В эмбриогенезе
повторяются признаки зародышей, а не взрослых особей».
Биогенетический закон выражает связь между онтогенезом и филогенезом, имеет
большое значение для выявления родственных связей между организмами. Этот закон
5
позволяет использовать данные эмбриологии (науки
восстановления хода исторического развития организмов.
о
развитии
зародышей)
для
С момента вылупления из яйца или при внутриутробном развитии – с момента
рождения, начинается постэмбриональный период. В постэмбриональный период развитие
организмов может быть прямое или непрямое.
При прямом развитии родившийся организм похож на родителей, его развитие сводится
к росту и созреванию.
При непрямом развитии потомство отличается от родителей по строению, питанию,
способу передвижения, возможно обитание в разных средах. Например, у личинки лягушки –
головастика имеются хвост и жабры, которых нет у взрослых особей; гусеницы бабочки
питаются чаще всего листьями, а сами бабочки – нектаром цветов.
Тип развития
Прямое
Непрямое
Примеры животных
Рыбы, пресмыкающиеся (крокодилы, черепахи, ящерицы, змеи),
птицы, млекопитающие.
Членистоногие – насекомые (бабочки, стрекозы, мухи, жуки, пчелы и
др.) и ракообразные;
земноводные (лягушки, жабы, тритоны).
Непрямое развитие – это развитие с превращением (метаморфозом). При переходе с
личиночной стадии ко взрослой форме одни органы исчезают, другие появляются (хвост и
жабры у головастика исчезают, появляются легочное дыхание и конечности).
1) развитие с неполным превращением (3 фазы: яйцо, личинка, особь) – саранча, земноводные;
2) развитие с полным превращением (4 фазы: яйцо, личинка, куколка, особь) – бабочки, жуки.
Многим видам животных присуще непрямое развитие (развитие с превращением —
метаморфозом). В этом случае эмбриональное развитие приводит к образованию личинки,
которая значительно отличается по внешнему и внутреннему строению от взрослого организма,
а затем куколки. Куколка, как правило, неподвижна, она не питается. Из нее развивается
полностью сформировавшееся взрослое насекомое. В этом случае говорят о полном
превращении (бабочки, мухи, комары, стрекозы). У насекомых с неполным превращением
происходит постепенное изменение личинки, сходной со взрослым организмом,
сопровождающееся линьками и увеличением размеров; стадия куколки отсутствует (кузнечик,
саранча, клопы, вши, стрекозы).
В подтипе позвоночных животных развитие с метаморфозом свойственно рыбам и
амфибиям. Например, у лягушки из икринки развивается личинка (головастик), которая по
строению, образу жизни и среде обитания резко отличается от взрослых животных. Так, у
головастика имеются жабры, орган боковой линии, хвост, двухкамерное сердце, один, как у
рыб, круг кровообращения. По достижении личинкой определенного уровня развития
происходит ее метаморфоз, в процессе которого вырабатываются признаки взрослого
организма. Так головастик превращается в лягушку. Наличие личиночной стадии в развитии
земноводных обеспечивает им возможность жить в разной среде я использовать разные
источники пищи: головастик живет в воде и питается растительной пищей, а лягушка ведет в
основном наземный образ жизни и питается животной пищей. Такое явление наблюдается у
многих насекомых. Смена среды обитания и, как следствие, смена образа жизни животного при
переходе его от личиночной стадии к взрослому организму снижает интенсивность борьбы за
существование внутри вида. Кроме того, у некоторых прикрепленных, малоподвижных или
паразитических животных свободноплавающая личинка способствует расселению вида,
расширению его ареала.
Индивидуальное развитие живых организмов завершается старением и смертью.
6