Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции - Биология и микробиология - файл 3 л Биология и микробиология 260301 260302 260303 БиТМ.doc


Лекции - Биология и микробиология
скачать (152.5 kb.)

Доступные файлы (1):

3 л Биология и микробиология 260301 260302 260303 БиТМ.doc944kb.11.01.2007 06:45скачать

содержание
Загрузка...

3 л Биология и микробиология 260301 260302 260303 БиТМ.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
Реклама MarketGid:
Загрузка...
Курс лекций по дисциплине
БИОЛОГИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ
РАЗДЕЛ 1 БИОЛОГИЯ
Лекция № 1 Современный этап развития биологии
1 Введение. История развития биологии

Биология – это наука о жизни. Ее название возникло из сочетания двух греческих слов bios – жизнь и logos – учение. Этот термин впервые был предложен выдающимся французским естествоиспытателем и эволюционистом Жаном Батистом Ламарком (1802 г.) для обозначения науки о жизни как особом явлении природы.

Биология изучает строение, проявления жизнедеятельности, среду обитания всех живых организмов: бактерий, грибов, растений, животных.

Живое на Земле представлено необычайным разнообразием форм, множеством видов живых существ. В настоящее время уже известно около 500 тыс. видов растений, более 1,5 млн видов животных, большим количеством видов грибов и прокариот, населяющих нашу планету.

К основным задачам биологии относятся следующие:

1 Раскрытие общих свойств живых организмов;

2 Объяснение причин их многообразия;

3 Выявление связей между строением и условиями окружающей среды.

Важное место в этой науке занимают вопросы возникновения и законы развития жизни на Земле – эволюционное учение. Понимание этих вопросов служит не только основой научного мировоззрения, но и необходимо для решения практических задач.

Биология зародилась еще у древних греков и римлян, которые описали известные им растения и животные.

Аристотель (384 – 322 г.г. до н.э.) – основоположник многих наук - впервые попытался упорядочить знания о природе, разграничив ее на «ступени»: неорганический мир, растение, животное, человек. В труде древнеримского врача Галена (131-200 г.г. н.э.) «О частях человеческого тела» дано первое анатомо-физиологическое описание человека.

В средние века составлялись «травники», включавшие описания лекарственных растений.

В эпоху Возрождения интерес к живой природе усилился. Возникли ботаника и зоология.

Изобретение микроскопа в начале 17 века Галилеем (1564-1642) углубило представление о строении живых существ и положило начало изучению клеток и тканей.

А. Левенгук (1632-1723) увидел под микроскопом простейшие, бактерии и сперматозоиды, т.е. явился основоположником микробиологии.

Одним из главных достижений 18 века является создание Карлом Линнеем (1735 г.) системы классификации животных и растений. А в начале 19 века Ж.-Б. Ламарком в книге «Философия зоологии» (1809 г.) впервые была четко сформулирована мысль об эволюции органического мира.

Среди важнейших достижений 19 века – создание клеточной теории М. Шлейденом и Т. Шванном (1838-1839 г.г.), открытие закономерностей наследственности Менделем в 1859 г.

Переворот в биологии произвело учение Ч. Дарвина в 1859 г., который открыл движущие силы эволюции.

Начало 20 века ознаменовалось рождением генетики. Эта наука возникла в результате переоткрытия К. Корренсом, Э. Чермаком и Г. де Фризом законов наследственности, которые ранее были обнаружены Г. Менделем, но остались неизвестными биологам того времени, а также благодаря работа Т. Моргана, обосновавшего хромосомную теорию наследственности.

В 50-е годы значительных успехов достигли исследования тонкой структуры материи. В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик предложили модель структуры ДНК в виде двойной спирали и доказали, что она несет в себе наследственную информацию.

Для современной биологии наряду с детальным изучением отдельных структур и организмов характерна тенденция к целостному познанию живой природы, о чем свидетельствует развитие экологии.

Развитие биологии шло по пути последовательного упрощения предмета исследования. В результате возникли многочисленные биологические дисциплины, специализирующиеся на изучении структурно-функциональных особенностей определенных организмов. Этот путь познания – от сложного к простому – называют редукционистским. Редукционизм сводит познание к изучению элементарнейших форм существования материи. Это относится и к живой, и к неживой природе. При таком подходе человек познает законы природы, изучая вместо единого целого, отдельные его части.

Другой подход основан на виталистических принципах. В этом случае жизнь рассматривается как совершенно особое и уникальное явление, которое нельзя объяснить только действием законов физики или химии.

Поэтому основной задачей биологии как науки является истолкование всех явлений живой природы, исходя из научных законов и не забывая при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от свойств частей, их составляющих. Например, нейрофизиолог может описать работу отдельного нейрона языком физики и химии, но сам феномен сознания так описать нельзя. Сознание возникает в результате коллективной работы и одновременного изменения электрохимического состояния миллионов нервных клеток, но мы до сих пор не знаем, как возникает мысль и каковы ее химические основы.

В настоящее время значение биологии возрастает с каждым годом. Возникло много биологических дисциплин и число их постоянно увеличивается. Связано это с тем, что биологию подразделяют на отдельные науки по предмету изучения: микробиология, ботаника, зоология; выделились и развились области биологии, изучающие общие свойства живых организмов: генетика – закономерности наследования признаков; биохимия – пути превращения органических молекул; экология – взаимоотношения организмов с окружающей средой. Функции живых организмов изучает физиология.

В соответствии с уровнем организации живой материи выделились дисциплины:

молекулярная биология, цитология – учение о клетке, гистология – учение о тканях.

По мере расширения области знаний о живых организмах, появляются все новые биологические отрасли науки.

Вирусология Цитология Молекулярная

биология

Бактериология Микробиология Гистология

Микология Физиология

Фитопатология Ботаника БИОЛОГИЯ Анатомия

Орнитология

Биохимия Энзимология
Ветеринария ^ Зоология Генетика Генная

Энтомология Экология инженерия

Эмбриология
2 Использование достижений биологических наук в деятельности человека

Биология имеет огромное значение в решении практических задач. Основные задачи ООН – продовольственная, здравоохранение, топливно-энергетическая, охрана окружающей среды.

Глобальной проблемой современности является производство пищи. Население нашей планеты приближается к 10 млрд человек. Поэтому проблема обеспечения населения продуктами питания, причем питания полноценного, становится все более острой.

В основном эти задачи решают технологические науки: растениеводство и животноводство, которые базируются на достижениях фундаментальных биологических дисциплин, таких как генетика и селекция, физиология и биохимия, молекулярная биология и экология.

На основе методов селекции, развитых и обогащенных современной генетикой, во всем мире идет интенсивный процесс создания более продуктивных сортов растений и пород животных. Важное качество новых сортов с/х культур – их приспособленность к выращиванию в условиях интенсивных технологий. С/х животные, наряду с высокой продуктивностью, должны обладать специфическими морфолого-анатомическими и физиологическими признаками, позволяющими разводить их на птицефабриках, фермах с электродойкой и стойловым содержанием, в клетках звероферм.

С каждым годом увеличивается дефицит белковой пищи, особенно белков животного происхождения, этот дефицит достигает 2,5 млрд т в год. Уже сейчас по данным ВОЗ 4% населения Земли находятся на грани голодной смерти, а хронически не доедают 10 % населения планеты.

Существуют 2 источника пищи – животная и растительная. Гораздо быстрее и легче производить растительную пищу, чем животную. Поэтому изыскиваются возможности получения пищевого белка неживотного происхождения, в первую очередь из растений – из зеленых частей, а также из семян.

Лидирующее место по извлечению белков занимает соя, это основная масличная культура в США и Японии. Кроме растительного масла, соя содержит очень много биологически полноценного белка (около 44%), который используется в пищу после извлечения из семян масла.

Белковые продукты из сои широкое распространение в западных странах получили только в последние 20-30 лет, в то время как в Китае и Японии они используются в пищу уже более 2-х тысячелетий. В этих странах традиционными являются такие продукты как тофу – соевый творог, кори-тофу – замороженный соевый творог, соевое молоко, юба – пленки, снимаемые с соевого молока при кипячении, и др. продукты.

В 1987 г. в США было выпущено на потребительский рынок 330 новых продуктов на основе белков сои, причем растительные белки применяются в самых разнообразных продуктах: от сосисок до мороженого, сыров, йогуртов, салатных приправ.

Растительные белки очень широко используются в продуктах быстрого приготовления, не требующих сложной кулинарной или достаточно длительной термической обработки. Особенно это касается США, где все более используется пища, которую можно потреблять в любом месте и в любое время – это всевозможные готовые завтраки, обеденные блюда, хлопья, палочки, подушечки и т. д. Причем используются такие блюда не только ради экономии времени, но и по соображениям «здорового питания».

Растительные белки широко используются и в приготовлении аналогов молока и молочных продуктов. В практике пищевой промышленности известно производство восстановленного молока из порошка, полученного из обезжиренной соевой муки. Имеется также целый ряд прохладительных белоксодержащих питательных напитков. Например, во Франции, Швеции, Венгрии имеются полностью автоматизированные установки по производству жидкой соевой продукции, соевых напитков или десертных блюд с натуральным ванильным или шоколадным ароматом. Эти продукты по составу соответствуют сбалансированному питанию, но в них отсутствуют лактоза и холестерин, что определяет целевое назначение для лиц, страдающих желудочно-кишечными и сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Растительные белки широко применяются также как обогатители пшеничной муки при производстве хлеба и хлебобулочных изделий. Их применение способствует улучшению свойств теста при замесе, удлиняет срок сохранения в свежем виде.

Применяются белки и в кондитерской промышленности. Кроме традиционных добавок соевой муки, в приготовлении печенья, сухих завтраков, смесей для кексов, используются также белки из семян подсолнечника. Используются также и белки других растений – хлопчатника, люпина, фасоли, горчицы, арахиса, рапса, сурепицы. Эти белки обладают высокой биологической ценностью, кроме того, их выход из отходов масло-жировой промышленности достигает 62%.

Растительные белки применяются при изготовлении пищевых изделий как:

1 белковые обогатители;

2 заменители и аналоги мясных продуктов;

3 безаллергенные и безлактозные заменители коровьего молока для детского и диетического питания;

4 структурообразователи и наполнители, а также для образования, стабилизации и разрушения пены, например, при приготовлении имитации мясного фарша, мяса, при приготовлении теста, сосисок, взбитых изделий (украшения на кондитерских товарах), кремов и т.д.;

5 разбавители для регулирования калорийности и биологической ценности диетических пищевых изделий для создания низкокалорийных «легких» продуктов.

В последнее время кроме растительных белков предпринимаются попытки использования белков микробного происхождения, особенно много внимания исследователи уделяют дрожжам. Рост и развитие микроорганизмов не зависит от времени года, погодных условий. В качестве субстрата для размножения микроорганизмов можно использовать отходы сельского хозяйства, спиртовой, целлюлозно-бумажной промышленности, а также нефть и газ. По скорости размножения микроорганизмы не имеют себе равных в мире живых существ. Например, организм коровы весом 500 кг за сутки при усиленном полноценном питании образует 0,5 кг белка, а 500 кг дрожжей за это же время синтезируют более 50 т белка, т.е. в 100 тыс. раз больше.

Производство кормовых и пищевых белков, как растительных, так и микробных, основывается на реализации принципов биотехнологии в промышленных масштабах. На основе принципов биотехнологии широко налажен микробиологический синтез органических кислот, аминокислот, ферментов, витаминов, стимуляторов роста, средств защиты растений.

Для получения более продуктивных форм микроорганизмов используют методы генной инженерии, т.е. прямых манипуляций с индивидуальными генами. Например, зеленая плесень Penicillium glaucum вырабатывает антибиотик пенициллин в малых количествах, а используемая в промышленности плесень Penicillium notatum продуцирует этого антибиотика в 1000 раз больше и т.д.

С помощью пересадки генов биологи –селекционеры работают над созданием растений с контролируемыми сроками цветения, повышенной устойчивостью к заболеваниям, засолению почвы, со способностью к фиксации атмосферного азота (пример – томаты с одновременным созреванием плодов, что обеспечивает механическую уборку).

Теоретические достижения биологии, особенно генетики, широко применяются в медицине. Исследование наследственности человека позволяет разработать методы ранней диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней, связанных с генами, а также хромосомными мутациями и аномалиями. Например, гемофилия, серповидно-клеточная анемия – серповидные эритроциты, наблюдается малокровие, изменение костей и др.; фенилкетонурия и т.д.

В условиях растущего воздействия человека на природу одной из коренных проблем является экологизация деятельности общества и сознания человека. Задача состоит не только в выявлении и устранении отрицательных эффектов воздействия человека на природу, например, местного загрязнения среды какими –то веществами, а главным образом в научном обосновании режимов рационального использования резервов биосферы. Негативные последствия хозяйственной деятельности приняли в последние десятилетия характер экологического кризиса, стали опасны не только для здоровья человека, но и для природной среды в целом. Поэтому еще одна из задач, стоящих перед биологией, это обеспечение сохранности биосферы и способности природы к воспроизводству.
^ Лекция № 2 Общая характеристика живого
1 Отличительные признаки живой материи
1.1 Питание. Пища нужна всем живым организмам, так как она служит источником энергии и других веществ, необходимых для жизнедеятельности. Растения и животные различаются главным образом по тому, как они добывают пищу.

Почти все растения способны к фотосинтезу, т.е. они сами образуют необходимые вещества, используя энергию света. Фотосинтез – одна из форм автотрофного питания:



6СО + 6НО СНО + 6О

хлорофилл

Животные и большинство микроорганизмов питаются по другому: они используют готовое органическое вещество, т.е. вещество других организмов. Это вещество они расщепляют с помощью ферментов и образуют вещества своего тела. Такое питание называется гетеротрофным.

1.2 Дыхание. Это процесс окисления органических веществ с выделением энергии (АТФ обнаружен во всех живых клетках).

СНО + 6О 6СО + 6НО + Q (кДж)

Энергия нужна для всех процессов жизнедеятельности, поэтому основная масса питательных веществ используется как источник энергии. В процессе дыхания энергия высвобождается при расщеплении некоторых высокоэнергетических соединений.

Благодаря этим двум процессам – питанию и дыханию - организм поддерживает свою целостность, т.е. упорядоченность всех процессов, протекающих в этом организме.

1.3 Раздражимость. Все живые существа способны реагировать на изменение внешней и внутренней среды. Например, на холоде кровеносные сосуды сужаются (гусиная кожа), а при высокой температуре расширяются, в результате в атмосферу выделяется избыточное тепло. Растения тянутся к свету (фотосинтез), животные тоже реагируют на опасность – еж, черепаха.

Раздражимость – это универсальное свойство живого. Оно выработалось в процессе эволюции и помогает живому организму выжить в изменившихся условиях внешней среды.

1.4 Подвижность. Животные отличаются от растений способностью перемещаться в пространстве из одного места в другое, т.е. они могут двигаться. Животным надо двигаться, чтобы добывать себе пищу.

Для растений подвижность не обязательна, т.к. они сами способны синтезировать питательные вещества. Но у растений имеет место движение внутри клеток и движение целых органов (листья комнатных растений, подсолнух). Но скорость этого движения значительно меньше, чем у животных.

В связи с этим академик Вернадский выделил два вида движения:

1 активное движение – перемещение на значительные расстояния;

2 пассивное движение – движение внутри тела.

1.5 Выделение. Выделение или экскреция – выведение из организма конечных продуктов обмена веществ. Животные потребляют много белковых веществ, поэтому шлаки, образованные из белков, это азотистые соединения.

1.6 Размножение. Продолжительность жизни у каждого организма ограничена, но все живое в целом бессмертно. Выживание вида обеспечивается сохранением главных признаков родителей у потомства, возникшего путем бесполого или полового размножения.

Существуют определенные механизмы передачи наследственной информации из поколения в поколение, причем эти механизмы одинаковы для всех видов. В этом проявляется наследственность. Но потомки, будучи похожи на родителей, всегда чем-то отличаются от них. В этом состоит явление изменчивости, основные законы которой тоже являются общими для всех видов.

Закодирована наследственная информация в молекулах ДНК и РНК.

1.7 Рост. Объекты неживой природы, например, кристаллы или сталактиты, растут, присоединяя новое вещество к наружной поверхности.

Живые организмы растут изнутри за счет питательных веществ, которые поступают в организм в процессе питания. В результате ассимиляции этих веществ образуются новые вещества, новая живая протоплазма.

Эти семь главных признаков живого более или менее выражены у любого организма и служат единственным показателем того, жив он или мертв.

В отличие от живой материи неживое под действием внешних условий разрушается.
2 Свойства живых организмов

^ 2.1 Обмен веществ. Все живые организмы обладают способностью извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей среды либо в виде питательных веществ, либо в форме солнечного излучения. Во внешнюю среду они возвращают продукты распада и преобразованную энергию в виде тепла. То есть организмы способны к обмену веществом и энергией с окружающей средой.

Обмен веществ является одним из существенных критериев жизни. Это свойство отражено в определении жизни, которое сформулировал Ф.Энгельс более ста лет назад:

«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».

В это определение вошли два важных положения:

А) жизнь тесно связана с белковыми веществами;

Б) непременным условием жизни является постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается и жизнь.

Обмен веществ белкового тела имеет две стороны:

  • Пластический обмен (анаболизм) – это совокупность реакций, обеспечивающих построение клетки и обновление ее состава.

  • Энергетический обмен (катаболизм) – это совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией.

Анаболизм + катаболизм = обмен веществ (метаболизм)

Вещества, поступающие из окружающей среды в результате пластического обмена, превращаются в вещества данного организма, и из них строится тело организма. Таким образом, пластический обмен состоит из двух одновременно идущих процессов: непрерывного распада веществ – диссимиляции и непрерывного синтеза новых соединений, т.е. ассимиляции. Процессы диссимиляции и ассимиляции едины и не существуют отдельно друг от друга. В результате этих процессов живой организм все время меняется, но при этом сохраняет свою определенную структуру.

Для ассимиляции, т.е. образования нового сложного вещества, кроме «строительного материала» - разнообразных химических соединений, необходима также энергия. Эту энергию дают, в первую очередь, процессы распада, т.е. процессы диссимиляции. При этом происходит расщепление сложных органических соединений на более простые, которые окисляются до конечных продуктов, как правило, до углекислого газа и воды с выделением энергии. Все это происходит в процессе энергетического обмена – катаболизма.

Живому организму энергия требуется не только для создания новых веществ тела, но и для различных видов деятельности: работа мышц, желез, нервных клеток и др., высшим животным – для поддержания постоянной температуры тела.

Чем больше нагрузка на организм, и чем больше затрачивается энергии, тем большее количество питательных веществ должно поступать. Людям тяжелого физического труда, спортсменам при больших нагрузках необходимо усиленное питание. Несоответствие между поступающей энергией в виде питательных веществ и затрачиваемой организмом ведет к увеличению веса и заболеваниям.

Обмен веществ обеспечивает устойчивость и постоянство химического состава клетки и всего организма, а, следовательно, и их деятельность.

Динамические системы, в которых непрерывно протекают химические реакции за счет поступающих извне веществ и энергии, а продукты распада отводятся, называются открытыми системами.

Живой организм – это открытая система, т.к. он существует до тех пор, пока в него поступает пища, а также энергия из внешней среды, а некоторые продукты обмена выделяются.

Живые организмы обладают встроенной системой саморегуляции, которая поддерживает процессы жизнедеятельности и препятствует неупорядоченному распаду структур и выделению энергии. Это тесно связано с процессом обмена веществ.

Способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамическое постоянство состава и свойств называется гомеостазом

Гомеостаз – относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма.

Различают: а) физиологический гомеостаз – это генетически детерминированная способность организма сохранять свой статус в изменяющихся условиях внешней среды (у млекопитающих – способность сохранять постоянство осмотического давления в клетках и рН крови);

б) гомеостаз развития - это генетически детерминированная способность организма так изменять отдельные реакции, что функции организма при этом в целом сохраняются. (У человека при удалении одной почки оставшаяся выполняет двойную нагрузку)

^ 2.2 Способность к самовоспроизведению – это второе обязательное свойство живого.

Время жизни всех живых систем, от молекулярных структур (вирусы, прионы) до высокоорганизованных многоклеточных организмов, ограничено.

Самовоспроизведение осуществляется на всех уровнях организации живой материи – от макромолекул до организма. Благодаря этому свойству клеточные структуры, клетки и организмы сходны по строению со своими предшественниками.

В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, на основе информации, заложенной в нуклеиновой кислоте ДНК. Самовоспроизведение тесно связано с явлением наследственности: любое живое существо рождает себе подобных.

Материальной основой генетических программ являются нуклеиновые кислоты: ДНК РНК белок

Белок является функциональным исполнительным механизмом, который регулируется нуклеиновой кислотой. Этому соответствует одно из современных определений жизни, данное в 1965 г. советским ученым М.В.Волькенштейном: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».

2.3 Изменчивость – это свойство, противоположное наследственности. Оно связано с приобретением организмами новых признаков и свойств. В основе изменчивости лежат мутации – нарушение процесса самовоспроизведения ДНК. Изменчивость создает материал для естественного отбора.

^ 2.4 Свойством живых организмов является способность к историческому развитию и изменению от простого к сложному. Этот процесс называется эволюцией. В результате эволюции возникло все многообразие живых организмов, приспособленных к определенным условиям существования.

Некоторые исследователи к основным свойствам живых организмов относят также: а)единство химического состава (98% - С, N, О, Н);

б)сложность и высокую степень организации, т.е. усложненное внутреннее строение, но в настоящее время обнаружены живые организмы, образованные одной молекулой – прионы – белки.
^ 2.5 Уровни организации живой материи

Для живой природы характерны разные уровни организации ее структур, между которыми существует сложное соподчинение.

Жизнь на каждом уровне изучается соответствующими отраслями биологии. Например, вирусы – вирусология, растения – ботаника и т.д.

В настоящее время выделяют следующие уровни организации живой материи.

  • Самый нижний, наиболее древний уровень - молекулярный, или уровень молекулярных структур.

  • Любая, даже самая сложная, живая система проявляется на уровне функционирования биологических молекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и других органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ, превращение энергии, передача наследственной информации. На этом уровне проходит граница между живым и неживым.

  • ^ Клеточный уровень. Клетка – это структурная и функциональная единица, а также единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле. Неклеточных форм жизни нет, а существование вирусов лишь подтверждает это правило, так как они могут проявлять свои свойства живых систем только в клетках.

  • ^ Тканевый уровень характерен для многоклеточных организмов. Ткань представляет собой совокупность сходных по строению клеток, соединенных выполнением общих функций.

  • ^ Органный уровень. У большинства живых организмов орган – это структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей. Например, кожа, как орган, включает эпителий и соединительную ткань, которые вместе выполняют целый ряд функций, среди которых наиболее значительная – защитная.

  • Иногда 3 и 4 уровни объединяют в один – органно-тканевый, или уровень целостного организма.

  • ^ Организменный уровень. Многоклеточные организмы представляют собой целую систему органов, которые строго специализированы по выполняемым функциям. На организменном уровне изучаются процессы и явления, происходящие в особи – механизмы согласованной работы ее органов и систем, а также роль различных органов в жизнедеятельности организма, приспособительные изменения и поведение организмов в различных экологических условиях.

  • ^ Популяционно-видовой уровень. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, создает популяцию, как систему надорганизменного порядка. В этой системе осуществляются простейшие эволюционные преобразования.

  • Вид – совокупность популяций 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 нишу – ареал.

  • Популяция (от латинского populus – народ, население) – это совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

  • Если продолжительность жизни любого живого организма определена генетически, и они неизбежно умирают, исчерпав запрограммированные возможности своего развития, то популяция способна при подходящих условиях среды развиваться сравнительно долго. В результате этого возможны эволюционные изменения.

  • ^ 7 Уровень биогеоценозов.

  • Биогеоценоз – это совокупность организмов разных видов и различной сложности организации со всеми факторами среды обитания. Т.е. это сообщество всех видов живых существ, населяющих ту или иную территорию или акваторию. На этом уровне действуют законы межвидовых отношений.

  • На этом уровне изучаются взаимоотношения организма и среды, миграция живого вещества, пути и закономерности протекания энергетических кругооборотов и др.

  • 8 Биосферный. Это самый высокий уровень организации живой материи на нашей планете. Биосфера представляет собой совокупность всего живого, населяющего Землю.

  • Таким образом, живая природа представляет собой сложно организованную иерархическую систему. Законы, характерные для более высоких уровней организации живого мира, не исключают действия законов, присущих более низким уровням.

  • Общая биология изучает законы, характерные для всех уровней организации жизни.


^ 3 Биологическая терминология и единицы измерения

В биологии существует множество названий и терминов, с помощью которых обозначают различные виды и группы растений и животных, их морфологические структуры и функциональные механизмы, а также взаимоотношения между ними.

Для того чтобы обеспечить максимальную точность и иметь терминологию, понятную ученым всех стран, биологи обычно пользуются, где это возможно, латинскими словами, а при создании новых терминов используют латинские или греческие корни, придавая слову в целом латинизированную форму.

Что же касается единиц измерения, то для тех размеров и для тех количеств вещества, с которыми приходится иметь дело на клеточном уровне, нужны соответствующие единицы измерения. Обычно к единицам длины, применяемым в биологии, относят микрометр (1 мкм = 10м и 10мм), нанометр (1 нм = 10м и 10мм)

Массу выражают в нанограммах (1 нг = 10г) или пикограммах (1 пг = 10г).

Используют также дальтон – это единица молекулярной массы, равная массе атома водорода.
^ Лекция № 3 Индивидуальное развитие организмов. Онтогенез
1 Общее понятие об онтогенезе. Эмбриональное развитие

Первые представления о росте и развитии восходят к античному миру. Гиппократ предполагал, что яйцеклетки уже содержат полностью сформированный организм, но в очень уменьшенном виде. Это представление было развито в учение, которое получило название преформизма (лат. preformatio - преобразование). Это учение было популярно в ХУ11-ХУ111 веках. Сторонниками его были У.Гарвей, М.Мальпиги и другие видные ученые. Преформизм – это метафизическое учение от начала и до конца, оно признавало лишь рост, а не развитие. Однако это учение опровергнул М.Боннэ (1720- 1793), который открыл партеногенез на примере развития тлей из неоплодотворенных яиц.

В античном мире было и другое учение, названное эпигенезом (греч. epi – после, genesis - развитие). Ярким сторонником этого учения был К.Ф.Вольф, который считал, что в яйце нет ни преформированного организма, ни его частей, а яйцо состоит из первоначально однородной массы. Однако в дальнейшем появились новые факты, которые позволили пересмотреть положения эпигенеза. В частности, в 18 веке К.Блэр опубликовал свой труд «Теория развития животных», в котором доказал, что содержимое яйца неоднородно. Более того, степень неоднородности возрастает с развитием зародыша. В рамках современных представлений развитие организма понимают как процесс, при котором структуры, образовавшиеся ранее, побуждают формирование последующих структур. Процесс развития детерминирован генетически и теснейшим образом связан со средой.

В обобщенном виде рост можно представить, как постепенное повышение количества клеток, массы и размеров организма, в результате чего происходят изменения формы, образование новых структур, дифференциация клеток, тканей и органов, биохимические изменения в клетках и тканях. Между ростом и развитием существует единство. Качественные изменения, наступающие в клетках, дают начало тканям и органам.

Дифференциация клеток – это процесс, благодаря которому клетки становятся морфологически, биохимически и функционально отличными от других. Рост и дифференциация обуславливают развитие организма.

Онтогенез и его типы. Онтогенез (греч. ontos – существо, genesis - развитие) это история (цикл) развития индивида, начинающаяся с образования давших ему начало половых клеток и заканчивающаяся смертью.

В зависимости от характера индивидуального развития организмов выделяют непрямой и прямой онтогенез. Первое наблюдается в форме личиночного развития, тогда как последнее в природе встречается в виде внутриутробного развития.

Личиночное развитие – организмы при таком развитии проходят одну или несколько личиночных стадий, что характерно для насекомых, амфибий и иглокожих. Их личинки ведут самостоятельный образ жизни, подвергаясь затем превращениям.

Прямое (неличиночное и внутриутробное) развитие. Неличиночное развитие характерно для беспозвоночных, рыб, пресмыкающихся и птиц, яйца которых богаты желтком (питательный материал). Благодаря этому в яйцах, откладываемых во внешнюю среду, происходит значительная часть онтогенеза. Метаболизм зародыша обеспечивается развивающимися так называемыми провизорными органами, представляющими собой зародышевые оболочки (желточный мешок, амнион, аллантоин).

Внутриутробное развитие типично для млекопитающих, включая и человека. Поскольку яйцеклетки этих организмов очень бедны питательными веществами, то все жизненные функции зародышей обеспечиваются материнским организмом посредством образования из тканей матери и зародыша провизорных органов, основной среди которых является плацента. Эволюционно внутриутробное развитие является самой поздней формой, однако эта форма наиболее выгодна для зародышей, так как она максимально эффективно обеспечивает их выживание.

Эмбриональное развитие

Оно протекает как непрерывный процесс изменения зародыша, однако для удобства изучения его подразделяют на периоды:

- одноклеточный;

- дробления и образования гаструлы;

- период образования тканей и органов, заканчивающийся формированием организма, готового к рождению.

Оплодотворение. Его результатом является возникновение одноклеточного зародыша. Важнейшими при оплодотворении являются 2 момента. Первый – слияние гаплоидных ядер мужской и женской гамет с образованием диплоидной зиготы. Второй – активизация яйцеклетки и побуждение ее к развитию.

Дробление. По своей сути это ряд непрерывно следующих одно за другим митотических делений яйцеклетки.

П.И. Балинский так характеризует этот процесс.

1 Одна клетка – оплодотворенное яйцо – посредством ряда митотических делений превращается в многоклеточный комплекс.

2 Рост отсутствует.

3 Общая форма зародыша в процессе дробления не меняется, но образуется внутренняя (первичная) полость тела.

4 В процессе дробления имеет место превращение веществ, запасенных в цитоплазме, в субстанции ядра.

5 Взаимное расположение частей цитоплазмы яйца в процессе дробления по большей части не меняется, и они остаются на своих местах.

6 Ядерно – плазменное отношение, низкое в начале дробления, достигает в конце уровня, характерного для обычных соматических клеток.

Соответственно типу яйцеклеток, дробление происходит различно.

У низших хордовых, мелких примитивных животных яйцеклетки мелкие, с небольшим количеством желтка. Дробление у них полное, равномерное. У низших позвоночных, более сложно устроенных, (рыбы, земноводные) яйцеклетки крупнее, содержат неравномерно распределенный запас желтка, поэтому дробление хоть и полное, но не равномерное. У высших позвоночных (пресмыкающиеся, птицы) яйцеклетки крупные, богаты желтком. Дробление у таких животных неполное, поверхностное. Оно происходит только в зародышевом диске, т.е. участке, свободном от желтка.

Млекопитающие и человек занимают особое место среди высших позвоночных. Развитие зародыша происходит внутри организма матери, обеспечивающего питание зародыша. В связи с этим яйцеклетки мелкие, желтка – небольшое количество. Для них типично полное равномерное дробление.

Гаструляция. С завершением процесса дробления формированием зародыша (бластулы) начинается период гаструляции. Характерная черта этого периода – массовое, упорядоченное по направлению и последовательности, перемещение клеток. В результате зародыш из однослойного становится многослойным. Образуются зародышевые листки. Это пласты клеток, занимающих определенное место друг относительно друга. Из них в последующем закономерно развиваются определенные органы и части тела. Наружный зародышевый листок называют эктодермой, внутренний – энтодермой, средний - мезодермой. Зародыш в периоде гаструляции называется гаструлой.

Органогенез. Это процесс образования органов. Параллельно развиваются и ткани. Этот процесс называют гистогенезом. Сложные пространственные преобразования клеток и частей зародыша получили название морфогенез.

Каждый зачаток органа, а затем и орган, развиваются из клеток определенных зародышевых листков.

Из эктодермы образуются вся нервная система, определенные части органов чувств, например, роговица глаза, кожный эпителий и его производные (молочные, потовые и сальные железы, волосы, ногти, эмаль зубов), эпителий полости рта и прямой кишки.

Из мезодермы развиваются скелет позвоночника, черепа и конечностей, поперечно – полосатая скелетная мускулатура, гладкая мускулатура внутренних органов, кровеносная система и кровь, выделительная система, половые железы, за исключением самих половых клеток, вся соединительная ткань.

Энтодерма дает начало эпителию пищеварительной и дыхательной систем, печени, поджелудочной железе, щитовидной и паращитовидной железе.

Зародышевые оболочки. У всех высших позвоночных, начиная с пресмыкающихся, образуются особые временные органы, предназначенные для обеспечения важнейших функций зародыша. Таких зародышевых оболочек 4. Они образуются после гаструляции из зародышевых листков.

Амнион, или водная оболочка, окружает непосредственно зародыш. Внутри него содержится жидкость, которая предохраняет зародыш от высыхания и механических повреждений. Амнион человеческого зародыша называется плодным пузырем и также содержит жидкость, которая отходит при его разрыве во время родов.

Хорион. Он способствует дыханию и питанию зародыша. У птиц хорион ближе всего прилежит к скорлупе, а у млекопитающих входит в состав плаценты и прилежит к стенке матки матери.

Аллантоис, мочевой мешок, служит у птиц для выделения жидких азотсодержащих продуктов обмена и для дыхания; (у млекопитающих наряду с хорионом входит в состав плаценты).

Желточный мешок. У птиц служит для питания, дыхания и кроветворения. У млекопитающих он не имеет функции питания в связи с переходом к чрезплацентарному способу поступления питательных веществ, но служит источником половых клеток и клеток крови.

Зародышевые оболочки прекращают свое существование после рождения, выходят наружу вместе со слизистой оболочкой матки.

Близнецы. У человека и некоторых млекопитающих, таких как лошади и коровы, обычно рождается один детеныш. Если же их больше, то говорят о близнецах.

Различают 2 вида близнецов: однояйцовые (ОБ) и разнояйцовые (РБ). Основной механизм возникновения ОБ – разделение зародыша на 2 части или более в периоде дробления эмбриогенеза. Причины этого пока не ясны. Частота рождения РБ связана с индивидуальными особенностями родителей. Описаны семьи, в которых близнецы рождались в нескольких поколениях. Зародыши на ранних стадиях способны как бы исправлять ошибки, и из каждой отделившейся части развивается вполне нормальный организм. Способность ранних стадий зародыша к развитию в нормальное целое после изменения их клеточного состава называется эмбриональной регуляцией и в полной мере проявляется в развитии ОБ. РБ развиваются из двух разных яйцеклеток, оплодотворенных разными сперматозоидами.

Иногда происходит неполное разделение клеточной массы бластомеров на ранних стадиях эмбриогенеза. В таких случаях появляются неразделившиеся двойни вследствие нарушения развития зародыша на 1-й неделе после оплодотворения. Они всегда однояйцовые. Неразделившиеся близнецы могут быть симметричными и соединяться разными отделами тела, например, в области груди, живота, крестца. Чаще всего они нежизнеспособны и погибают в периоде внутриутробного развития. Однако возможны и исключения. Близнецы, родившиеся в Сиаме (Таиланд), и прожившие 63 года, дали общее название таким близнецам (сиамские близнецы).

Врожденные пороки и критические периоды развития человека.

Кроме двойниковых уродств, встречаются новорожденные с различными иными отклонениями. Врожденным пороком развития называется стойкое изменение строения органа, приводящее к расстройству его функции. Количество форм пороков исчисляется тысячами. Различают пороки развития лица и шеи, нервной системы, глаз, опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной, выделительной и половой систем.

Нарушения эмбриогенеза происходят на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. Отсюда следует, что основными механизмами врожденных пороков являются нарушения наиболее важных процессов, таких как размножение, дифференцировка, перемещение и гибель клеток, рост и взаимодействие развивающихся тканей и органов. Помимо наследственных пороков есть и пороки, возникшие в результате действия экзогенных факторов. К таким факторам относятся:

- физические (проникающая радиация);

- химические (медикаменты, ядовитые вещества, гипоксия зародыша, эндокринные заболевания матери);

- биологические агенты (вирусы).

Критическими периодами являются такие, во время которых чувствительность зародыша к действию внешних факторов особенно велика. У человека 1-й период приходится на конец 1-й начало 2-й недели беременности; 2-й с 3 по 6 неделю, хотя нет таких стадий, в которых эмбрион был бы стоек ко всем повреждающим воздействиям.
^ 2 Постэмбриональное развитие

Постэмбриональное развитие начинается с момента выхода развивающегося организма из оболочек яйца или организма матери. Главной особенностью его является то, что он вступает в непосредственный контакт с внешней средой. Он начинает дышать, питаться, реагировать на различные воздействия. После рождения развитие организма продолжается в виде изменений в росте, дальнейшей специализации клеток и тканей, регенерации и старении.

^ Непрямое постэмбриональное развитие

Многие низшие многоклеточные (губки, кишечнополостные, плоские и кольчатые черви), низшие хордовые (асцидии, ланцетник), низшие позвоночные (рыбы, земноводные) выходят из яйцевых оболочек в виде личинок. У них не развиты половые железы, часто имеются специальные личиночные органы, обеспечивающие приспособленность к способу существования. Размеры обычно маленькие, самостоятельно питаясь, личинки растут, изменяют свою форму и превращаются в половозрелую особь.

В отношении большинства видов считается, что непрямое развитие исторически первично. Биологическое значение личиночных стадий многообразно. Во-первых, при небольшом запасе желтка в яйцеклетке благодаря самостоятельному питанию личинки обеспечивается дальнейшее развитие более сложно устроенной взрослой стадии. Во-вторых, у некоторых видов, ведущих сидячий образ жизни, и у паразитов свободно живущая личинка обеспечивает расселение вида в пространстве. В-третьих, вследствие иного способа существования личинок по сравнению с половозрелой стадией, они как бы выходят из конкуренции за пищу и другие факторы со своими взрослыми стадиями (насекомые).

Считают, что у насекомых развитие с метаморфозом вторично, если метаморфоз не носит выраженного характера и личинка мало меняется по форме (тараканы), то он называется неполным.

При полном метаморфозе строение личинки и взрослой особи очень различаются, в развитии происходят выраженные процессы разрушения одних и новообразования других органов (муха, лягушка), ход метаморфоза регулируется гормонами.

^ Прямое постэмбриональное развитие

В эволюции позвоночных животных наблюдается как бы выпрямление постэмбрионального развития.

Благодаря увеличению количества желтка в яйцеклетках или внутриутробному развитию эмбриональный период удлиняется, и организм к моменту выхода из яйцевых оболочек в главных чертах строения напоминает взрослую стадию. В этом случае постэмбриональный период характеризуется в основном ростом и изменением пропорций тела, приобретением состояния функциональной зрелости органов и систем. Созревает и начинает функционировать половая система.

Такой тип эмбрионального развития, лишенный личиночной стадии, называется прямым. Он характерен для онтогенеза высших позвоночных: пресмыкающихся, птиц, млекопитающих.

На рост и развитие в постэмбриональный период оказывают большое влияние условия внешней среды. Для растений решающими факторами являются свет, влажность, температура, количество и качество питательных веществ в почве. Для животных также большое значение имеет полноценное кормление (наличие в корме белков, углеводов, липидов, минеральных веществ, витаминов, микроэлементов). Важны также кислород, температура, свет (синтез витамина Д).

Рост и индивидуальное развитие организмов находятся также под контролем гуморальных и нервных механизмов регуляции.

В клетках животных синтезируются химически активные вещества, влияющие на процессы жизнедеятельности. Нервные клетки беспозвоночных и позвоночных вырабатывают так называемые нейросекреты. Железы эндокринной, или внутренней секреции продуцируют гормоны. У позвоночных железами внутренней секреции являются щитовидная, околощитовидная, поджелудочная железы, надпочечники, гипофиз, эпифиз, половые железы, которые тесно связаны между собой.

Гипофиз вырабатывает гонадотропный гормон, стимулирующий деятельность половых желез. У человека гормон гипофиза влияет на рост. При его недостатке развивается карликовость, при избытке – гигантизм.

Эпифиз продуцирует гормон, отвечающий за сезонные колебания половой активности животных.

Гормон щитовидной железы влияет на метаморфоз насекомых и земноводных. У млекопитающих недоразвитие щитовидной железы ведет к задержке роста и недоразвитию половых органов. У человека задерживаются окостенение, рост, не наступает половое созревание, останавливается психическое развитие.

Надпочечники продуцируют гормоны, которые влияют на метаболизм, рост и дифференциацию клеток.

Половые железы вырабатывают половые гормоны, которые определяют вторичные половые признаки. Например, у кастрированных петухов прекращается рост гребня, теряется половой инстинкт. Кастрированный мужчина приобретает внешнее сходство с женщиной (не растут борода и волосы на коже, отлагается жир на груди и в области таза, при кастрации в раннем возрасте сохраняется детский тембр голоса и др.).

Во всех периодах онтогенеза организмы способны к восстановлению утерянных или поврежденных частей тела. Это свойство носит название регенерации. Она бывает физиологическая и репаративная.

Физиологическая – это замена утраченных частей тела в жизнедеятельности организма. Регенерация этого типа очень широко распространена в животном мире. Например, у членистоногих она представлена линькой, которая связана с ростом, у рептилий – замещением хвоста и чешуи, у птиц – перьев, когтей и шпор, у млекопитающих – сбрасывание ежегодно оленями рогов.

Реперативная регенерация – это восстановление части тела организма, отторгнутой насильственным путем. Регенерация этого типа возможна у многих животных, но ее проявления различны. Например, она часто осуществляется у гидр, когда из части восстанавливается все животное. У человека репаративной способностью обладают эпителиальная, соединительная, мышечная и костная ткани.

Старость. Это предпоследний период онтогенеза и его длительность определяется общей продолжительностью жизни, которая является видовым признаком. В соответствии с рекомендациями ВОЗ старостью человека признается возраст, начиная с 75 лет, пожилым – от 60 до 75 лет.

В случае человека различают физиологическую старость, связанную с календарным возрастом, и преждевременное старение под влиянием социальных факторов и болезней, причем старость характеризуется рядом внешних и внутренних признаков. Среди внешних признаков называют снижение плавности движений, изменение осанки, уменьшение эластичности кожи и мышц, упругости последних, появление морщин, выпадение зубов. Подвергается изменениям первая (притупляется острота органов чувств) и вторая (изменяется речевая интонация, голос становится глухим) сигнальные системы.

Среди внутренних признаков называют обратное развитие (инволюцию) органов. Отмечают уменьшение размеров печени и почек, эластичности кровеносных сосудов, упругости связок, способности органов и тканей к регенерации. В костях накапливаются неорганические соли, обызвествляются хрящи. Происходят существенные изменения в клетках.

Современные генетические представления о механизме старения сводятся к тому, что в процессе жизни в клетках организма накапливаются мутантные гены, в результате действия которых происходит синтез дефектных белков. Дефектные белки играют дезинтегрирующую роль в клеточном метаболизме, что ведет к старению. Однако исчерпывающей теории старения еще не создано.

Смерть. Это завершающий этап онтогенеза. У одноклеточных организмов смертью является их гибель, но прекращение существования клетки может быть связано с делением.

В случае более организованных животных, например, млекопитающих, смерть в полном смысле слова завершает жизнь организма.

У человека различают смерть клиническую и биологическую. Клиническая смерть выражается в потере сознания, прекращении сердцебиения и дыхания. Однако при этом большинство клеток и органов остаются живыми. Клиническая смерть обратима, поскольку человека можно «возвратить» к жизни, но лишь в течение 6-7 минут от начала клинической смерти.

Биологическая смерть характеризуется тем, что она необратима и сопровождается прекращением процессов самообновления, гибелью, разложением клеток. Однако умирание клеток начинается не во всех органах одновременно. Вначале гибнет кора головного мозга, затем эпителий кишечника, легких, печени, клетки мышц, сердца. Все, конец.

^ Продолжительность жизни. Продолжительность жизни различных организмов неодинакова. Травянистые растения живут в течение одного сезона. Напротив, древесные растения живут намного дольше. Например, вишня – 100 лет, ель – 1000, дуб – 2000, сосна -3000-4000. Рыбы живут 35-80 лет, лягушки -16, крокодилы -50-60, птицы некоторых видов – до 100 лет. Млекопитающие живут меньше. Например, мелкий рогатый скот живет 20-25 лет, крупный – более 30 лет, лошади, собаки – более 20, волки -15, медведи -50, слоны – 100 лет. Среди млекопитающих долгожителем является человек. Многие люди доживают до 115-120 лет и более.

Считают, что фактическая продолжительность жизни не совпадает с естественной. А.А.Богомолец и И.И.Шмальгаузен подсчитали, что естественная продолжительность жизни человека должна составлять 120-150 лет. Однако до этого возраста доживают лишь единицы.

В связи с началом истории человека на продолжительность его жизни стали оказывать влияние социальные факторы и медицина, которые в наше время приобрели очень большое значение. Главнейшие причины снижения продолжительности жизни заключаются в смертности от голода, болезней, недостаточной медицинской помощи. В среднем продолжительность жизни на планете в 1988 году составляла 61 год, причем в индустриально развитых странах – 73 г., в Африке – 52 г.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10



Скачать файл (152.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru