РАЗДЕЛ 3. Содержательный компонент теоретического материала
3.1 Схематичный теоретический (лекционный) материал
Раздел 1. Введение. Биология как наука: предмет, задачи, методы. История развития биологической науки
План:
Предмет и задачи биологии и экологии в современном мире.
Краткий очерк истории развития биологии как науки.
Основные методы биологических и экологических исследований.
Биология (от греч. bios - жизнь, 1оgоs - наука) - наука о жизни, об общих закономерностях существования и развития живых существ.
Предметом ее изучения являются живые организмы, их строение, функции, развитие, взаимоотношения со средой и происхождение. Подобно физике и химии она относится к естественным наукам, предметом изучения которых является природа.
Биология - одна из старейших естественных наук, хотя термин «биология» для ее обозначения впервые был предложен лишь в 1797 г. немецким профессором анатомии Теодором Рузом (1771-1803).
Этапы развития биологии. Самые первые сведения о живых существах человек стал собирать, вероятно, с тех пор, когда он осознал свое отличие от окружающего мира. Уже в литературных памятниках египтян, вавилонян, индийцев и др. содержатся сведения о строении многих растений и животных, о применении этих знаний в медицине и сельском хозяйстве.
Значительный вклад в развитие представлений о природе внесла афинская школа. Наиболее выдающийся ее представитель – Аристотель (384-322 гг. до н. э.) – создал четыре биологических трактата. Он подразделял окружающий мир на четыре царства: неодушевленный мир земли, воды и воздуха, мир растений, мир животных и мир человека. Аристотеля считают основоположником зоологии.
Основы ботаники были заложены трудами Теофраста (372-287 гг. до н. э.).
Представителем римской школы Плинием старшим была создана энциклопедия из 37 томов «Естественная история», в которой содержались сведения о животных и растениях.
В средние века господствующей идеологией была религия. В эту практически не было получено новых сведений о биологических явлениях, однако поддерживались знания, основанные на описаниях Аристотеля, Плиния, Галена.
Начала биологии, как и всего естествознания, связаны с эпохой Возрождения. Примерно со второй половины XV века начинается бурное развитие естествознания. Значительный вклад в развитие биологии внесли: Леонардо да Винчи, открывший гомологию органов, описавший большое количество видов растений, Андреас Везалий, создавший анатомический труд «Семь книг о строении человеческого тела», В. Гарвей, открывший кровообращение.
Чрезвычайно быстрое накопление научных данных о живых организмах вело к дифференцировке биологических знаний, к разделению биологии на отдельные науки по объектам и задачам изучения. В ХУ1-ХУП вв. стала стремительно развиваться ботаника. С изобретением микроскопа (начало XVII в.) в пределах ботаники возникла микроскопическая анатомия растений, закладываются основы физиологии растений. С XVI в. стала быстро развиваться и зоология.
Большое влияние на развитие зоологии в последующем оказала система классификации животных, созданная К. Линнеем (1707-1778). Введя четырехчленные таксономические подразделения (класс - отряд - род - вид), К. Линней классифицировал животных на шесть классов (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, насекомые, черви).
В 1839 г. Т. Шванн (1804-1881) и М. Шлейден (1810-1882) формулируют клеточную теорию, явившуюся важнейшим обобщением знаний о клетке, ставших известными к концу первой трети XIX в.
В 1859 г. Ч. Дарвин (1809-1882) публикует «Происхождение видов». В этом труде была сформулирована теория эволюции.
В первой половине XIX в. возникает бактериология, которая благодаря трудам Л. Пастера, Р. Коха, Д. Листера и И. И. Мечникова в последующем перерастает в микробиологию как самостоятельную науку. К концу XIX в. в качестве самостоятельных наук оформляются паразитология и экология.
В 1865 г. была опубликована работа Г. Менделя (1822-1884) «Опыт над растительными гибридами», в которой было обосновано существование генов и сформулированы закономерности, которые в настоящее время называют законами наследственности. После повторного открытия этих законов в XX в. оформляется в качестве самостоятельной науки генетика.
В наше время биология характеризуется исключительно широким перечнем разрабатываемых фундаментальных проблем, начиная с исследований элементарных клеточных структур и реакций, протекающих в клетках, и заканчивая познанием процессов, развернутых и развивающихся на глобальном (биосферном) уровне.
В относительно короткие исторические сроки были разработаны принципиально новые методы исследований, вскрыты молекулярные основы строения и активности клеток, установлена генетическая роль нуклеиновых кислот, расшифрован генетический код и сформулирована теория генетической информации, определены (секвенированы) последовательности азотных оснований многих генов, появились новые обоснования теории эволюции, возникли новые биологические науки. Новейший революционный этап в развитии биологии — это создание методологии генетической инженерии, которая открыла принципиально новые возможности для проникновения в глубь биологических процессов с целью дальнейшей характеристики живой материи и создания научной картины мира.
Методы исследований.
Основными методами, используемыми в биологических науках, являются описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный.
Описательный метод является самым старым методом исследования. Он заключается в сборе фактического материала и описании его.
Сравнительный метод заключается в сравнении изучаемых организмов, их структур и функций между собой с целью выявления сходств и отличий.
Появление исторического метода связано с трудами Ч. Дарвина. Этот метод позволил поставить на научные основы исследование закономерностей появления и развития организмов, становление структуры и функций организмов во времени и пространстве.
Экспериментальный метод заключается в исследовании биологических объектов в ходе эксперимента.
Раздел 2. Сущность жизни. Критерии живого.
Уровни организации жизни.
План:
Современное определение жизни. Критерии живого.
Уровни организации живой материи: системный подход.
Характеристика молекулярно-генетического, организменного, популяционно-видового и биосферного уровней.
Жизнь - особая форма существования материи.
Всеобщим методологическим подходом к пониманию сущности жизни в настоящее время является понимание жизни в качестве процесса, конечным результатом которого является самообновление, проявляющееся в самовоспроизведении.
Все живое происходит только из живого, а всякая организация, присущая живому, возникает только из другой подобной организации.
Поэтому жизнь - это качественно особая форма существования материи, связанная с воспроизведением. Явления жизни представляют собой форму движения материи, высшей по сравнению с физической и химической формами его существования.
Живое построено из тех же химических элементов, что и неживое (кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор, натрий, калий, Кальций и другие элементы). В клетках они находятся в виде органических соединений. Однако организация и форма существования
Как живое, так и неживое построены из молекул, которые изначально являются неживыми. Тем не менее живое резко отличается от неживого. Причины этого глубокого различия определяются свойствами живого, а молекулы, содержащиеся в живых системах, называют биомолекулами.
Критерии живого.
Для живого характерен ряд свойств, которые в совокупности «делают» живое живым. Такими свойствами являются самовоспроизведение, специфичность организации, упорядоченность структуры, целостность и дискретность, рост и развитие, обмен веществ и энергии, наследственность и изменчивость, раздражимость, движение, внутренняя регуляция, специфичность взаимоотношений со средой.
Самовоспроизведение (репродукция). Это свойство является важнейшим среди всех остальных. Замечательной особенностью является то, что самовоспроизведение тех или иных организмов повторяется в неисчислимых количествах генераций, причем генетическая информация о самовоспроизведении закодирована в молекулах ДНК.
Специфичность организации. Она характерна для любых организмов, в результате чего они имеют определенную форму и размеры.
Упорядоченность структуры. Для живого характерна не только сложность химических соединений, из которого оно построено, но и упорядоченность их на молекулярном уровне, приводящая к образованию молекулярных и надмолекулярных структур.
Целостность (непрерывность) и дискретность (прерывность). Жизнь целостна и в то же время дискретна как в плане структуры, так и функции.
Рост и развитие. Рост организмов происходит путем прироста массы организма за счет увеличения размеров и числа клеток. Он сопровождается развитием, проявляющимся в дифференцировке клеток, усложнении структуры и функций. В процессе онтогенеза формируются признаки в результате взаимодействия генотипа и среды.
Филогенез сопровождается появлением гигантского разнообразия организмов, органической целесообразностью. Процессы роста и развития подвержены генетическому контролю и нейрогуморальной регуляции.
Обмен веществ и энергии. Благодаря этому свойству обеспечивается постоянство внутренней среды организмов и связь организмов с окружающей средой, что является условием для поддержания жизни организмов.
Наследственность и изменчивость. Наследственность обеспечивает материальную преемственность между родителями и потомством, между поколениями организмов, что, в свою очередь, обеспечивает непрерывность и устойчивость жизни.
Раздражимость. Реакция живого на внешние раздражения является проявлением отражения, характерного для живой материи. Факторы, вызывающие реакцию организма или его органа, называют раздражителями. Ими являются свет, температура среды, звук, электрический ток, механические воздействия, пищевые вещества, газы, яды и др.
Движение. Способностью к движению обладают все живые существа. Многие одноклеточные организмы двигаются с помощью особых органоидов. К движению способны и клетки многоклеточных организмов (лейкоциты, блуждающие соединительнотканевые клетки и др.), а также некоторые клеточные органеллы. Совершенство двигательной реакции достигается в мышечном движении многоклеточных животных организмов, которое заключается в сокращении мышц.
Внутренняя регуляция. Процессы, протекающие в клетках, подвержены регуляции. На молекулярном уровне регуляторные механизмы существуют в виде обратных химических реакций. Известно также регулирование путем химической модификации ферментов. В регуляции активности клеток принимают участие гормоны, обеспечивающие химическую регуляцию.
Любое повреждение молекул ДНК, вызванное физическими или химическими факторами воздействия, может быть восстановлено с помощью одного или нескольких ферментативных механизмов, что представляет собой саморегуляцию. Она обеспечивается за счет действия контролирующих генов и, в свою очередь, обеспечивает стабильность генетического материала и закодированной в нем генетической информации.
Специфичность взаимоотношений со средой. Организмы живут в условиях определенной среды, которая для них служит источником свободной энергии и строительного материала. Организмы либо отыскивают среду, либо адаптируются (приспосабливаются) к ней. Формами адаптивных реакций являются физиологический гомеостаз (способность организмов противостоять факторам среды) и гомеостаз развития (способность организмов изменять отдельные реакции при сохранении всех других свойств).
Уровни системной организации жизни.
В организации живого в основном различают молекулярный клеточный, тканевой, органный, организменный, популяционный' видовой, биоценотический и глобальный (биосферный) уровни.
На всех этих уровнях проявляются все свойства, характерные для живого. Каждый из этих уровней характеризуется особенностями присущими другим уровням, но каждому уровню присущи собственные специфические особенности.
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.
Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен клетками, действующими в качестве самостоятельных организмов (бактерии, простейшие и др.), а также клетками многоклеточных организмов. Главнейшая специфическая черта этого уровня заключается в том, что с него начинается жизнь.
Тканевой уровень представлен тканями, объединяющими клетки определенного строения, размеров, расположения и сходных функций. Ткани возникли в ходе исторического развития вместе с многоклеточностью. У животных различают несколько типов тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная, а также кровь и лимфа). У растений различают меристематическую, защитную, основную и проводящую ткани. На этом уровне происходит специализация клеток.
Органный уровень. Представлен органами организмов. У простейших пищеварение, дыхание, циркуляция веществ, выделение, передвижение и размножение осуществляются за счет различных органелл. У более совершенных организмов имеются системы органов. У растений и животных органы формируются за счет разного количества тканей. Для позвоночных характерна цефализация, защищающаяся в сосредоточении важнейших центров и органов чувств в голове.
Организменный уровень. Этот уровень представлен самими организмами — одноклеточными и многоклеточными организмами растительной и животной природы. Специфическая особенность организменного уровня заключается в том, что на этом уровне происходит декодирование и реализация генетической информации, создание структурных и функциональных особенностей, присущих организмам данного вида.
Популяционный уровень. Растения и животные не существуют изолированно; они объединены в популяции. Создавая надорганизменную систему, популяции характеризуются определенным генофондом и определенным местом обитания. В популяциях начинаются и элементарные эволюционные преобразования, происходит выработка адаптивной формы.
Видовой уровень. Этот уровень определяется видами растений, животных и микроорганизмов, существующими в природе в качестве живых звеньев. В составе одного вида может быть от одной до многих тысяч популяций, представители которых характеризуются самым различным местообитанием и занимают разные экологические ниши. Виды представляют собой результат эволюции и характеризуются сменяемостью. Ныне существующие виды не похожи на виды, существовавшие в прошлом. Вид является также единицей классификации живых существ.
Биоценотический уровень. Представлен биоценозами — сообществами организмов разной видовой принадлежности. В таких сообществах организмы разных видов в той или иной мере зависят один от другого. В ходе исторического развития сложились биогеоценозы (экосистемы), которые представляют собой системы, состоящие из взаимозависимых сообществ организмов и абиотических факторов среды. Экосистемам присуще динамическое (подвижное) равновесие между организмами и абиотическими факторами. На этом уровне осуществляются вещественно-энергетические круговороты, связанные с жизнедеятельностью организмов.
Биосферный (глобальный) уровень. Этот уровень является высшей формой организации живого (живых систем). Он представлен биосферой. На этом уровне осуществляется объединение всех вещественно-энергетических круговоротов в единый гигантский биосферный круговорот веществ и энергии.
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, т. е. связан с появлением нового качества.
Раздел 3. Основы цитологии. Клетка: строение, функции.
План:
Предмет и задачи цитологии.
Клеточная теория и ее значение.
Ультраструктура клетки. Мембранные и немембранные органоиды клетки.
1. Цитология - наука о клетке.
Наука о клетке называется цитологией (греч. "цитос"- клетка, "логос"-наука). Предмет цитологии - клетки многоклеточных животных и растений, а также одноклеточных организмов, к числу которых относятся бактерии, простейшие и одноклеточные водоросли. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающей среды. Современная цитология - наука комплексная. Она имеет самые тесные связи с другими биологическими науками, например с ботаникой, зоологией, физиологией, учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной биологией, химией, физикой, математикой. Цитология - одна из относительно молодых биологических наук, ее возраст около 100 лет. Возраст же термина "клетка" насчитывает свыше 300 лет. Впервые название "клетка" в середине XVII в. применил Р.Гук. Рассматривая тонкий срез пробки с помощью микроскопа, Гук увидел, что пробка состоит из ячеек - клеток.
В середине XIX столетия на основе уже многочисленных знаний о клетке Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (1838). Он обобщил имевшиеся знания о клетке и показал, что клетка представляет основную единицу строения всех живых организмов, что клетки животных и растений сходны по своему строению.
Современная клеточная теория включает следующие положения:
- клетка - основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого;
- клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны ( гомологичны ) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;
- размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;
- в сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.
2. Виды клеток.
Изучение клеток разнообразных одноклеточных и многоклеточных организмов с помощью светооптического и электронного микроскопов показало, что по своему строению они разделяются на две группы. Одну группу составляют бактерии и сине-зеленые водоросли. Эти организмы имеют наиболее простое строение клеток. Их называют дояденными (прокариотами) (от др.-греч. pro — «перед», «до» + karyon — «ядро»), так как у них нет оформленного ядра и нет многих структур, которые называют органоидами. Т.е., Прокариоты или безъядерные = одноклеточные живые организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром. К прокариотам относятся царства бактерии и археи.
Другую группу составляют все остальные организмы: от одноклеточных зеленых водорослей и простейших до высших цветковых растений, млекопитающих, в том числе и человека. Они имеют сложно устроенные клетки, которые называют ядерными (эукариотическими). Эти клетки имеют ядро и органоиды, выполняющие специфические функции. Эукариоты или ядерные (лат. Eukaryota от греч. εὐ- хорошо и κάρυον — ядро) = надцарство живых организмов, клетки которых содержат ядра. Все организмы, кроме бактерий и архебактерий, являются ядерными. Животные, растения, грибы, а также группы организмов под общим названием протисты — все являются ядерными организмами. Они могут быть одноклеточными и многоклеточными, но все имеют общий план строения клеток. Считается, что все эти столь несхожие организмы имеют общее происхождение, поэтому группа ядерных рассматривается как таксон наивысшего ранга. Согласно наиболее распространённым гипотезам, эукариоты появились 1,5-2 млрд лет назад путём симбиоза прокариот.
Особую, неклеточную форму жизни составляют вирусы, изучением которых занимается вирусология.
3. Строение эукариотической клетки
Эукариотические клетки в среднем намного крупнее прокариотических, разница в объёме достигает тысяч раз. Клетки эукариот включают около десятка видов различных структур, известных как органоиды (или органеллы, что, правда, несколько искажает первоначальное значение этого термина). В прокариотических клетках обычно выделяют только два вида органоидов: клеточную мембрану и рибосомы (существенно отличные от эукариотических рибосом). Ядро - это часть клетки, окружённая мембраной, и содержащая генетический материал: молекулы ДНК, «упакованные» в хромосомы. Ядро обычно одно, но бывают и многоядерные клетки.
Строение и функции оболочки клетки
Клетки всех организмов имеют единый план строения, в котором четко проявляется общность всех процессов жизнедеятельности. Клетка любого организма, представляет собой целостную живую систему. Она состоит из трех неразрывно связанных между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра. Как цитоплазма, так и ядро характеризуются сложностью и строгой упорядоченностью строения и, в свою очередь, в состав их входит множество разнообразных структурных единиц, выполняющих совершенно определенные функции.
Оболочка клеток.
-Функция: Она осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах). Оболочка - таможня клетки. Она зорко следит за тем, чтобы в клетку не проникли ненужные в данный момент вещества; наоборот, вещества, в которых клетка нуждается, могут рассчитывать на ее максимальное содействие.
-Строение. Оболочка клеток имеет сложное строение. Она состоит из наружного слоя и расположенной под ним плазматической мембраны. Клетки животных и растений различаются по строению их наружного слоя. У растений, а также у бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов на поверхности клеток расположена плотная оболочка, или клеточная стенка. У большинства растений она состоит из клетчатки. Клеточная стенка играет исключительно важную роль: она представляет собой внешний каркас, защитную оболочку, обеспечивает тургор растительных клеток: через клеточную стенку проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ.
Наружный слой поверхности клеток животных в отличие от клеточных стенок растений очень тонкий, эластичный. Он не виден в световой микроскоп и состоит из разнообразных полисахаридов и белков. Поверхностный слой животных клеток получил название гликокаликс.
Гликокаликс выполняет прежде всего функцию непосредственной связи клеток животных с внешней средой, со всеми окружающими ее веществами. Имея незначительную толщину (меньше 1 мкм), наружный слой клетки животных не выполняет опорной роли, какая свойственна клеточным стенкам растений. Образование гликокаликса, так же как и клеточных стенок растений, происходит благодаря жизнедеятельности самих клеток.
Оболочка ядра содержит многочисленные поры. Они образуются смыканием наружной и внутренней мембран и имеют различный диаметр. В некоторых ядрах, например ядрах яйцеклеток, пор очень много и они с правильными интервалами расположены на поверхности ядра. Количество пор в ядерной оболочке варьирует в различных типах клеток. Поры расположены на равном расстоянии друг от друга. Так как диаметр поры может изменяться, и в ряде случаев ее стенки обладают довольно сложной структурой, создается впечатление, что поры сокращаются, или замыкаются, или, наоборот, расширяются. Благодаря порам кариоплазма входит в непосредственный контакт с цитоплазмой. Через поры легко проходят довольно крупные молекулы нуклеозидов, нуклеотидов, аминокислот и белков, и таким образом осуществляется активный обмен между цитоплазмой и ядром.
Плазматическая мембрана. Под гликокаликсом и клеточной стенкой растений расположена плазматическая мембрана (лат. "мембрана"- кожица, пленка), граничащая непосредственно с цитоплазмой. Толщина плазматической мембраны около 10 нм, изучение ее строения и функций возможно только с помощью электронного микроскопа.
В состав плазматической мембраны входят белки и липиды. Они упорядочено расположены и соединены друг с другом химическими взаимодействиями. По современным представлениям молекулы липидов в плазматической мембране расположены в два ряда и образуют сплошной слой. Молекулы белков не образуют сплошного слоя, они располагаются в слое липидов, погружаясь в него на разную глубину.
Молекулы белка и липидов подвижны, что обеспечивает динамичность плазматической мембраны.
Плазматическая мембрана выполняет много важных функций, от которых завидят жизнедеятельность клеток. Одна из таких функций заключается в том, что она образует барьер, отграничивающий внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Но между клетками и внешней средой постоянно происходит обмен веществ. Из внешней среды в клетку поступает вода, разнообразные соли в форме отдельных ионов, неорганические и органические молекулы. Они проникают в клетку через очень тонкие каналы плазматической мембраны. Во внешнюю среду выводятся продукты, образованные в клетке. Транспорт веществ - одна из главных функций плазматической мембраны. Через плазматическую мембрану из клети выводятся продукты обмена, а также вещества, синтезированные в клетке. К числу их относятся разнообразные белки, углеводы, гормоны, которые вырабатываются в клетках различных желез и выводятся во внеклеточную среду в форме мелких капель.
Цитоплазма.
- Функция: В цитоплазме протекают основные процессы обмена веществ, она объединяет в одно целое ядро и все органоиды, обеспечивает их взаимодействие, деятельность клетки как единой целостной живой системы.
- Строение: Отграниченная от внешней среды плазматической мембраной, цитоплазма представляет собой внутреннюю полужидкую среду клеток. Основное вещество цитоплазмы, называемое также гиалоплазмой или матриксом, - это полужидкая среда клетки, в которой располагается ядро и все органоиды клетки. Под электронным микроскопом вся гиалоплазма, располагающаяся между органоидами клетки, имеет мелкозернистую структуру. Слой цитоплазмы формирует разные образования: реснички, жгутики, поверхностные выросты. Последние играют важную роль в движении и соединении клеток между собой в ткани.
В цитоплазму эукариотических клеток располагаются ядро и различные органоиды. Ядро располагается в центральной части цитоплазмы. В ней сосредоточены и разнообразные включения - продукты клеточной деятельности, вакуоли, а также мельчайшие трубочки и нити, образующие скелет клетки.
Важнейшая роль гиалоплазмы заключается в том, что эта полужидкая среда объединяет все клеточные структуры и обеспечивает их химическое взаимодействие друг с другом. Именно через цитоплазму происходит диффузия различных веществ, растворенных в воде, которые постоянно поступают в клетку и выводятся из нее. В цитоплазму поступают также твердые частички, попадающие в клетку путем фагоцитоза, поступают и пиноцитозные вакуоли. Все эти вещества передвигаются в ней и повергаются дальнейшей переработке.
Эндоплазматическая сеть.
Вся внутренняя зона цитоплазмы заполнена многочисленными мелкими каналами и полостями, стенки которых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре с плазматической мембраной. Эти каналы ветвятся, соединяются друг с другом и образуют сеть, получившую название эндоплазматической сети.
Эндоплазматическая сеть принадлежит к числу органоидов клетки, открытых совсем недавно (1945 – 1946). Расположение сетчатых структур во внутренней части цитоплазмы – эндоплазме (греч. "эндон" – внутри) – и послужило основанием для того, чтобы вновь открытому органоиду дать название эндоплазматической сети или эндоплазматического ретикулума.
Эндоплазматическая сеть неоднородна по своему строению. Известны два ее типа - гранулярная и гладкая. На мембранах каналов и полостей гранулярной сети располагается множество мелких округлых телец - рибосом, которые придают мембранам шероховатый вид. Мембраны гладкой эндоплазматической сети не несут рибосом на своей поверхности.
- Функция: Эндоплазматическая сеть выполняет много разнообразных функций. Столь широкое распространение в клетках всех типов у огромного большинства организмов позволяет рассматривать ЭПС как один из универсальных клеточных органоидов, выполняющих важные и разносторонние функции
Совершенно определенно установлено, что гранулярная ЭПС принимает активное участие в синтезе белка.
Гранулярная ЭПС также принимает участие в секреторных процессах.
Обе формы ЭПС способны накапливать в каналах, вакуолях и цистернах продукты синтеза: белковые вещества (гранулярная ЭПС) и жиры или гликоген (гладкая ЭПС). Все эти вещества, накапливающиеся в просвете каналов и цистерн, в дальнейшем транспортируются к различным органоидам клетки.
Таким образом, основная функция гранулярной эндоплазматической сети - участие в синтезе белка, который осуществляется в рибосомах. На мембранах гладкой эндоплазматической сети происходит синтез липидов и углеводов. Все эти продукты синтеза накапливаются в каналах и полостях, а затем транспортируются к различным органоидам клетки, где потребляются или накапливаются в цитоплазме в качестве клеточных включений. Эндоплазматическая сеть связывает между собой основные органоиды клетки.
Рибосомы. Рибосомы - самые маленькие из клеточных органелл. Это микроскопические тельца округлой формы диаметром 15-20 нм. Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой.
Рибосомы либо располагаются на поверхности мембраны гранулярной ЭПС в один ряд, либо образуют розетки и спирали.
- Состав: В состав рибосом входят белки и рибосомальная РНК. Соотношение этих двух компонентов в рибосомах почти одинаково.
-Функции рибосом. На рибосомах происходит синтез белков.
Митохондрии. В цитоплазме большинства клеток животных и растений содержатся мелкие тельца (0,2-7 мкм) - митохондрии (греч. "митос" - нить, "хондрион" - зерно, гранула).
- Строение: Внутреннее строение митохондрий изучено с помощью электронного микроскопа. Оболочка митохондрии состоит из двух мембран - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, она не образует никаких складок и выростов. Внутренняя мембрана, напротив, образует многочисленные складки, которые направлены в полость митохондрии. Складки внутренней мембраны называют кристами (лат. "криста" - гребень, вырост) Число крист неодинаково в митохондриях разных клеток. Их может быть от нескольких десятков до нескольких сотен, причем особенно много крист в митохондриях активно функционирующих клеток, например мышечных.
- Функция: Митохондрии называют "силовыми станциями" клеток" так как их основная функция - синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Эта кислота синтезируется в митохондриях клеток всех организмов и представляет собой универсальный источник энергии, необходимый для осуществления процессов жизнедеятельности клетки и целого организма.
Пластиды. В цитоплазме клеток всех растений находятся пластиды. В клетках животных пластиды отсутствуют. Различают три основных типа пластид: зеленые - хлоропласты; красные, оранжевые и желтые - хромопласты; бесцветные - лейкопласты.
Хлоропласты, хромопласты и лейкопласты способны клетка взаимному переходу. Так при созревании плодов или изменении окраски листьев осенью хлоропласты превращаются в хромопласты, а лейкопласты могут превращаться в хлоропласты, например, при позеленении клубней картофеля.
Хлоропласт. Эти органоиды содержатся в клетках листьев и других зеленых органов растений, а также у разнообразных водорослей. Размеры хлоропластов 4-6 мкм, наиболее часто они имеют овальную форму. Зеленый цвет хлоропластов зависит от содержания в них пигмента хлорофилла. Xлоропласт - основной органоид клеток растений, в котором происходит фотосинтез, т.е. образование органических веществ (углеводов) из неорганических (СО2 и Н2О) при использовании энергии солнечного света.
От цитоплазмы хлоропласт отграничен двумя мембранами - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, без складок и выростов, а внутренняя образует много складчатых выростов, направленных внутрь хлоропласта. Поэтому внутри хлоропласта сосредоточено большое количество мембран, образующих особые структуры - граны. Они сложены наподобие стопки монет.
В мембранах гран располагаются молекулы хлорофилла, потому именно здесь происходит фотосинтез.
Хромопласты находятся в цитоплазме клеток разных частей растений: в цветках, плодах, стеблях, листьях. Присутствием хромопластов объясняется желтая, оранжевая и красная окраска венчиков цветков, плодов, осенних листьев.
Лейкопласты находятся в цитоплазме клеток неокрашенных частей растений, например в стеблях, корнях, клубнях. Форма лейкопластов разнообразна.
Аппарат (комплекс) Гольджи. Строение этого органоида сходно в клетках растительных и животных организмов, несмотря на разнообразие его формы.
- Строение: 1) Система плоских цистерн, ограниченных гладкими мембранами. Цистерны расположены пачками, по 5 – 8; причем они плотно прилегают друг к другу. Количество цистерн, их величина и расстояние между ними варьируют в разных клетках. 2) Система трубочек, которые отходят от цистерн. 3) Крупные и мелкие пузырьки, замыкающие концевые отделы трубочек.
- Функции: накопление и транспорт веществ. При делении клеток часть аппарата Гольджи из материнской клетки передается в лизосомы.
Лизосомы представляют собой небольшие округлые тельца. От цитоплазмы каждая лизосома отграничена мембраной. Внутри лизосомы находятся ферменты, расщепляющие белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.
Ядро. В большинстве клеток имеется одно ядро, и такие клетки называют одноядерными. Существуют также клетки с двумя, тремя, с несколькими десятками и даже сотнями ядер. Это - многоядерные клетки.
Основными компонентами ядра являются: Ядерная оболочка. Ядерный сок – кариоплазма – относительно прозрачная и однородная масса; полужидкое вещество, которое находится под ядерной оболочкой и представляет внутреннюю среду ядра.
Ядерный сок в виде неструктурированной массы окружает хромосомы и ядрышки.
Одно или два обычно округлых ядрышка. Ядрышко – постоянная часть типичного интерфазного ядра. По физическим свойствам ядрышко является наиболее плотной частью ядра. По химическому составу ядрышко отличается относительно высокой концентрацией РНК.
Хромосомы, спирализованные участки которых видны в световой микроскоп как хлопья или закрученные, переплетенные нити; деспирализованные участки нитей видны только в электронный микроскоп. Хромосомы – та, основная функциональная авторепродуцирующая структура ядра, в которой концентрируется ДНК и с которой связана функция ядра.
Таблица. Основные различия между прокариотами и эукариотами.
Признак
|
Прокариоты
|
Эукариоты
|
Организмы
|
Бактерии
|
простейшие, грибы, растения, животные
|
Размеры клеток
|
диаметр в среднем – 0,5-10 мкм
|
диаметр – 10-100 мкм, объем клетки в 1000-10000 раз больше, чем у прокариот
|
Форма
|
в основном одноклеточные
|
в основном многоклеточные (за исключением простейших)
|
Возникновение в процессе эволюции
|
3,5 млрд. лет назад
|
1,2 млрд. лет назад; произошли от прокариот
|
Клеточное деление
|
В основном простое деление пополам; веретено не образуется
|
Митоз, мейоз или сочетание этих способов деления; веретено образуется
|
Генетический материал
|
Кольцевая ДНК свободно плавает в цитоплазме
ДНК не связана с белками или РНК; хромосом нет
|
ДНК линейная и локализована в ядре
ДНК связана с РНК и белком; хромосомы имеются
|
Синтез белков
|
70S-рибосомы (мелкие) Эндоплазматического ретикулума нет (различия и по многим другим деталям белкового синтеза, включая чувствительность к антибиотикам; синтез белков у прокариот, например, ингибируется стрептомицином)
|
80S-рибосомы (крупные)
Рибосомы могут быть прикреплены к эндоплазматическому ретикулуму
|
Органеллы
|
Органелл мало Ни одна из них не имеет оболочки (двойной мембраны)
|
Органелл много
Органеллы окружены мембранами, например, ядро, митохондрии, хлоропласта
Множество органелл, окруженных одинарной мембраной, например аппарат Гольд-жи, лизосомы, вакуоли, микротельца, эндоплазматический ретикулум
|
Клеточные стенки
|
Жесткие, содержат полисахариды и аминокислоты; основной опорный материал — муреин
|
Клеточные стенки зеленых растений и грибов жесткие, содержат полисахариды; основной опорный материал клеточной стенки у растений — целлюлоза, у грибов — хитин (у клеток животных клеточной стенки нет)
|
Жгутики
|
Простые, микротрубочек нет; расположены внеклеточно (не окружены плазматической мембраной) Диаметр 20 нм
|
Сложные, с расположением микротрубочек типа «9 + 2»; окружены плазматической мембраной Диаметр 200 нм
|
Дыхание
|
У бактерий происходит в мезосомах; у цианобактерий — на цитоплазматических мембранах
|
Аэробное дыхание происходит в митохондриях
|
Фотосинтез
|
Хлоропластов нет; происходит на мембранах, не имеющих специфической упаковки
|
В хлоропластах, содержащих мембраны, которые обычно уложены в ламеллы или граны
|
Фиксация азота
|
Некоторые обладают такой способностью
|
Ни один организм не способен к фиксации азота
|
Раздел 4. Многообразие органического мира. Систематика как наука.
План:
Проблема классификации органического мира.
Отличительные черты и краткая характеристика представителей основных царств живой природы: прокариотические организмы, грибы, растения, животные.
В итоге эволюционного процесса возникло разнообразие форм современных и ископаемых видов животных, растений, грибов и микроорганизмов. Их классификацией, т.е. группировкой по сходству и родству, занимается отрасль биологии, называемая систематикой.
Изучение разнообразия животного мира пока далеко от завершения. Находки новых видов возможны даже среди таких крупных животных, как млекопитающие. Например, в фауне России раз в 3-4 года описывается новый, неизвестный науке вид. Скажем, что лишь в середине 50-х годов ХХ в. зоолог А.В. Иванов открыл новый тип животных - погонофор. По масштабам это открытие может быть сравнимо с открытием новой планеты Солнечной системы.
Возникновение систематики
Основоположником систематики был шведский натуралист Карл Линней. Он впервые предложил классифицировать организмы на виды, роды и классы. Он впервые выделил классы млекопитающих и птиц, смело объединил обезьян и человека в один отряд приматов. Карл Линней первый ввел в науку систему двойных латинских названий живых организмов, так называемую бинарную номенклатуру, которая позволила установить порядок в описании новых видов. Введение латыни для научных наименований живых организмов существенно облегчило общение ученых разных стран. Каждый организм должен в соответствии с требованиями бинарной номенклатуры именоваться сначала родовым названием, а затем видовым. В разных районах нашей страны одного и того же зверька ― степного сурка ― называют по-разному: байбак, бабак, бабочок, тарбаган, и т.д. Научное латинское название этого вида ― Marmota boak ― является единственным, которым пользуются зоологи.
Искусственная и естественная системы
Если нам нужно установить порядок в книгохранилище, то мы может исходить из самых разных принципов. Можем классифицировать книги, например, по цвету обложки или формату. Подобная классификация книг искусственна, так как она не отражает главного ― содержания книг. Система Линнея была искусственной. В основу классификации он положил не истинное родство организмов, а их сходство по некоторым наиболее легко отличимым признакам. Объединив растения по числу тычинок, по характеру опыления, К. Линней объединил в один ряд морковь, лен, лебеду, колокольчик, смородину и калину. Из-за различий в числе тычинок ближайшие родственники, например брусника и черника, попали в разные классы. Зато в другом классе встретились осока, береза, дуб, ряска, крапива и ель. Для того чтобы построить систему той или иной группы, ученые используют совокупность наиболее существенных признаков: изучают ее историческое развитие по ископаемым остаткам, исследуют сложность анатомического строения современных видов, особенности размножения, сложность организации, сравнивают их эмбриональное развитие, особенности химического состава, физиологии, изучают тип запасающих веществ, современное и прошлое распространение на нашей планете. Это позволяет определить положение данного вида среды остальных и построить естественную систему, отражающую степень родства между группами организмов.
Классификация организмов
Учеными описано 2,5 млн видов, но предполагается, что их истинное число с учетом низших животных - "невидимок" - достигает 5 млн, а может быть, даже 15 или 30 млн. Совокупность всех видов составляет биологическое разнообразие. Биологическое разнообразие - это число различимых типов биологических объектов или явлений и частота их встречаемости на фиксированном интервале пространства и времени, в общем случае отражающее сложность живого вещества, способность его к саморегуляции своих функций и возможность его разностороннего использования. Оно включает в себя все виды животных, растений, грибов и микроорганизмов, экосистем и протекающих в них процессов. Биологическое разнообразие - частный случай всеобщего феномена разнообразия природы.
Видообразование лежит в основе микроэволюционного процесса. Отображением же эволюции в целом является современная классификация живых организмов.
Две империи
Подавляющее большинство ныне живущих организмов состоит из клеток. Лишь немногие примитивные организмы - вирусы и фаги - не имеют клеточного строения. По этому важнейшему признаку все живое делится на две империи – ДОКЛЕТОЧНЫХ (неклеточных) и КЛЕТОЧНЫХ.
Представление о том, что все живое делится на два царства - животных и растений, - ныне устарело. Современная биология признает разделение на пять царств: ПРОКАРИОТЫ (дробянки), ПРОТИСТЫ, ГРИБЫ, РАСТЕНИЯ, ЖИВОТНЫЕ; отдельно выделяется царство ВИРУСОВ - доклеточных форм жизни.
Деление на надцарства, царства и подцарства является фундаментальным и всеобъемлющим. Довольно долго выделяли всего 4 царства: животные, растения, бактерии и грибы. Впоследствии разделение усложнилось.
Классификация:
Надцарство неклеточные: царство вирусы; царство прионы.
Надцарство прокариоты: 1)царство бактерии; 2)царство археи.
Надцарство эукариоты:
3)царство протисты;
4)царство грибы;
5)царство растения
подцарство Bryophyta,
подцарство сосудистые растения,
подцарство семенные растения.
6)царство животные:
подцарство эуметазои,
подцарство паразои,
подцарство агнотозои.
Хотя жизнь на нашей планете, вероятно, зародилась примерно 3,5 млрд. лет назад, первые организмы заселили сушу не ранее, чем 420 млн. лет назад. Это были самые первые растения. Растения — автотрофные эукариоты, которые адаптиовались к жизни в воздушной среде. Животные отличаются от растений прежде всего типом питания. Для них характерна гетеротрофность. В процессе эволюции у животных выработался ряд различных стратегий пищевого поведения, а именно хищничество, растительноядность, всеядность и паразитизм. Это требует способности к локомоции, чтобы перемещаться в поисках пищи. В свою очередь это приводит к высокому уровню развития нервной системы, органов чувств, мышц и скелета.
У всех животных, кроме губок, клетки дифференцированы в ткани, каждая из которых выполняет определенные функции.
Раздел 5. Основы эволюционного учения.
План:
Учение об эволюции жизни.
Движущие силы эволюционного процесса.
Направления и правила эволюции. Современное состояние эволюционной теории.
Основные этапы эволюции органического мира.
|
