БИОЛОГИЯ КУРС ЛЕКЦИЙ для всех специальностей и профессий СПО

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ	Ульяновский авиационный колледж - МЦК
	ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ
	БИОЛОГИЯ КУРС ЛЕКЦИЙ для всех специальностей и профессий СПО Ульяновск 2019

ОДОБРЕНО на заседании ЦМК математических и естественнонаучных дисциплин Протокол №6 от «09» января 2019г. Председатель ЦМК: _________________ М.Ю. Дорофевнина

УТВЕРЖДАЮ Заместитель директора по учебно- методической  работе: _______________ Л.Н. Подкладкина «09» января 2019г.

РАЗРАБОТЧИК: Зудова Т.А., кандидат б.н., преподаватель высшей категории ОГАПОУ «УАвиаК-МЦК»

Ред.2, Осн.51, изм. 50%

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................................

РАЗДЕЛ 1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ. ЭВОЛЮЦИОННОЕ УЧЕНИЕ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА

Тема 1.1 Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле. История развития эволюционных идей.

1.1.1Предпосылки возникновения жизни...................................

1.1.2Зарождение и развитие эволюционной идеи..................

1.1.3Эволюция одноклеточных организмов..............................

1.1.4Возникновение и развитие многоклеточной организации    

1.1.5Эволюция растительного мира..........................................

1.1.6Эволюция животного мира.................................................

1.1.7Эволюция биосферы...............................................................

                 1.1.8 Путешествие ученого

                 1.1.9 Изменчивость в природе

1.1.10Искусственный отбор.........................................................

1.1.11 Естественный отбор.........................................................

Тема 1.2 Микроэволюция и макроэволюция. Происхождение человека.

1.2.1Вид. Критерии вида...............................................................

1.2.2Популяция – единица эволюции...........................................

1.2.3Дарвин о видообразовании. Микроэволюция..................

РАЗДЕЛ 2. УЧЕНИЕ О КЛЕТКЕ.ОРГАНИЗМ. РАЗМНОЖЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ОРГАНИЗМОВ

Тема 2.1 Строение и функции клетки. Химическая организация клетки. 

2.1.1Открытие клетки...................................................................

2.1.2Строение и функции органоидов клетки.........................

2.1.3Вода и соли, их значение для организма............................

2.1.4Макроэлементы.......................................................................

2.1.53Микроэлементы....................................................................

2.1.6Строение белка и его функции............................................

2.1.7Классификация и обмен белков...........................................

Тема 2.2 Размножение организмов. Индивидуальное развитие организма.

2.2.1Бесполое размножение..........................................................

2.2.2Половое размножение............................................................

2.2.3Интенсивность размножение.............................................

2.2.4Индивидуальное размножение организма.......................

2.2.5Митоз, мейоз............................................................................

РАЗДЕЛ 3.  ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ И СЕЛЕКЦИИ. ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ. БИОНИКА

Тема 3.1 Основы учения о наследственности и изменчивости. Закономерности изменчивости.

3.1.1Наследование при моногибридном скрещивании и закон расщепления            

3.1.2Дигибридное скрещивание и закон независимого расщепления           

3.1.3Хромосомная теория наследственности.........................

3.1.4Наследование, сцепленное с полом.....................................

3.1.5Генные и хромосомные мутации........................................

3.1.6Значение мутаций...................................................................

Тема 3.2 Экология — наука о взаимоотношениях организмов между собой и окружающей средой. Биосфера — глобальная экосистема.

3.2.1Характеристика и состав биосферы...............................

3.2.2В.И. Вернадский о биосфере и «живом веществе».......

3.2.3Биосфера и человек. Ноосфера...........................................

3.2.4Экологические факторы и биогеоценозы

Тема 3.3 Бионика как одно из направлений биологии и кибернетики.

Использованная литература.............................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Краткий курс лекций по общей биологии дает представление о структуре живой материи, общих законах ее развития, о многообразии жизни и истории ее развития на Земле. Особое внимание уделяется анализу взаимоотношений между организмами и условиями устойчивости экологических систем. Большое место в ряде разделов отведено изложению общебиологических закономерностей как наиболее трудных для понимания; в других разделах приведены только самые необходимые сведения и понятия.

Материал в учебном пособии состоит из разделов, включающих темы; внутри тем – подтемы. После каждого раздела рубрики: «Опорные точки», «Проблемные области», «Вопросы для повторения», «Терминология».

Эти рубрики дают возможность привлечения дополнительной литературы и поэтому они могут использоваться для факультативного или углубленного изучения темы. Завершает каждый раздел перечень «Основных положений», которые необходимы для запоминания.

Сложность и многообразие жизни столь велики, что одни ее явления мы только начинаем понимать, а другие еще ждут изучения. В этом учебном пособии лишь затронуты важные вопросы организации живых систем, их функционирование и развитие.

РАЗДЕЛ 1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ. ЭВОЛЮЦИОННОЕ УЧЕНИЕ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА

Тема 1.1 Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле. История развития эволюционных идей.

1.1.1 Предпосылки возникновения жизни

Большинство современных специалистов убеждены, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть естественный результат эволюции материи. Это убеждение основано на доказанном единстве химической основы жизни, построенной из нескольких простых и самых распространенных во Вселенной атомов.

Исключительное морфологическое разнообразие жизни (микроорганизмы, растения, животные) осуществляется на достаточно единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.

Основные химические элементы, из которых построена жизнь, - это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространённые во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, кислорода и азота имеют небольшие размеры и способны образовывать устойчивые соединения с двух- и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. Образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими.

Другие два биогенных элемента - сера и фосфор - присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов также дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор - составная часть нуклеиновых кислот.

Кроме этих шести основных химических элементов в построении организмов в малых количествах участвуют натрий, калий, магний, кальций, хлор, а также микроэлементы: железо, марганец, кобальт, медь, цинк и небольшие следы алюминия, бора, ванадия, йода и молибдена; следует отметить и некоторые исключительно редкие атомы, которые встречаются случайно и в ничтожных количествах.

Следовательно, химическая основа жизни разнообразится еще 15 химическими элементами, которые вместе с шестью основными биогенными элементами участвуют в различных соотношениях в строении и осуществлении функций живых организмов. Этот факт особенно показателен в двух отношениях:

1) как доказательство единства происхождения жизни и

2) в том, что сама жизнь, являющаяся результатом самоорганизации материи, включила в эволюцию биологических макромолекул не только все самые распространенные элементы, но и все атомы, которые особенно пригодны для осуществления жизненных функций (например, фосфор, железо, йод и др.)

Жизнь - одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и воспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней.

Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Сложную химическую эволюцию обычно выражают следующей обобщенной схемой: атомы ® простые соединения ® простые биоорганические соединения ® макромолекулы® организованные системы. Начало этой эволюции положено нуклеосинтезом в Солнечной системе, когда образовались основные элементы, в том числе и биогенные. Начальное состояние – нуклеосинтез- быстро переходит в процесс образования химических соединений.

Этот процесс протекает в условиях первичной Земли со всенарастающей сложностью, обусловленной общекосмическими и конкретными планетарными предпосылками.

Особенно важной предпосылкой возникновения и развития жизни является относительно постоянная и оптимальная радиация, получаемая планетой от центральной звезды. Обычно оптимальную радиацию получают планеты, имеющие орбиту, близкую к круговой, и подвергающиеся поэтому относительно постоянному облучению.

Обязательным условием возникновения жизни является наличие воды. Парадоксально, что, хотя вода - чуть ли не самая распространенная молекула во Вселенной, поразительно мало планет имеют гидросферу: в нашей Солнечной системе только Земля имеет гидросферу, а на Марсе имеется лишь незначительное количество воды.

Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др.

Эти особенности обусловливают круговорот воды в природе, который играет исключительную роль в геологической истории Земли.

Из сказанного выше можно сделать следующий вывод: возникновение жизни на Земле есть часть общей эволюции материи во Вселенной, а не некий сверхъестественный акт. Налицо были исходные органические соединения, оптимальная масса Земли, оптимальная солнечная радиация, наличие гидросферы. В этих условиях эволюция материи с высокой степенью вероятности осуществляется по пути возникновения жизни.

За последние 20 лет были получены интересные сведения о наличии органических соединений во Вселенной. Источники этих сведений естественные посланцы космоса на Землю, метеориты.

1.1.2 Зарождение и развитие эволюционной идеи

Первые проблески эволюционной мысли зарождаются в недрах диалектической натурфилософии античного времени, рассматривавшей мир в бесконечном движении, постоянном самообновлении на основе всеобщей связи и взаимодействия явлений и борьбы противоположностей.

Зарождение биологии как науки связано с деятельностью великого мыслителя из Греции Аристотеля (387-322 гг. до н. э.). В своих капитальных трудах он изложил принципы классификации животных, провел сравнение различных животных по их строению, заложил основы античной эмбриологии.

В работе "О частях животных" приводится мысль о взаимосвязи (корреляции) органов, о том, что изменение одного органа влечет за собой изменение другого, связанного с ним функциональными отношениями.

В труде "Возникновение животных" Аристотель разработал сравнительно анатомический метод и применил его в эмбриологических исследованиях. Он обратил внимание на то, что у разных организмов эмбриогенез (развитие эмбриона) проходит через последовательный ряд: в начале закладываются наиболее общие признаки, затем видовые и, наконец, индивидуальные. Обнаружив большое сходство начальных стадий в эмбриогенезе представителей разных групп животных, Аристотель пришел к мысли о возможности единства их происхождения. Этим выводом Аристотель предвосхитил идеи зародышевого сходства и эпигенеза (эмбриональных новообразований), выдвинутые и экспериментально обоснованные в середине XVIII в.

Таким образом, воззрения античных философов содержали ряд важных элементов эволюционизма:

ü  во-первых, мысль о естественном возникновении живых существ и их изменении в результате борьбы противоположностей и выживании удачных вариантов;

ü  во-вторых, идею   ступенчатого   усложнения   организации   живой   природы; 

ü  в-третьих, представление о целостности организма (принцип корреляции) и об эмбриогенезе как процессе новообразования.            

Исключительной заслугой учения Дарвина явилось то, что оно дало научное, материалистическое объяснение возникновению высших животных и растений путем последовательного развития живого мира, что оно привлекло для разрешения биологических проблем исторический метод исследования. Однако к самой проблеме происхождения жизни у многих естествоиспытателей и после Дарвина сохранился прежний метафизический подход. Широко распространенный в научных кругах Америки и Западной Европы менделизм- морганизм выдвинул положение, согласно которому наследственностью и всеми другими свойствами жизни обладают частицы особенного генного вещества, сконцентрированного в хромосомах клеточного ядра. Эти частицы будто бы когда-то внезапно возникли на Земле и сохранили свое жизнеопределяющее строение в основном неизменным в течение всего развития жизни. Таким образом, проблема происхождения жизни, с точки зрения менделистов-морганистов, сводится к вопросу, как могла сразу внезапно возникнуть наделенная всеми свойствами жизни частица генного вещества.

Жизнь как особая форма существования материи характеризуется двумя отличительными свойствами - самовоспроизведением и обменом веществ с окружающей средой. На свойствах саморепродукции и обмена веществ строятся все современные гипотезы возникновения жизни. Наиболее широко признанные гипотезы коацерватная и генетическая.

Коацерватная гипотеза. В 1924 г. А. И. Опарин впервые сформулировал основные положения концепции предбиологической эволюции и затем, опираясь на эксперименты Бунгенберга де Йонга, развил эти положения в коацерватной гипотезе происхождения жизни. Основу гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием белковых структур.

Первые белковые структуры (протобионты, по терминологии Опарина) появились в период, когда молекулы белков отграничивались от окружающей среды мембраной. Эти структуры могли возникнуть из первичного "бульона" благодаря коацервации - самопроизвольному разделению водного раствора полимеров на фазы с различной их концентрацией.

Процесс коацервации приводил к образованию микроскопических капелек с высокой концентрацией полимеров. Часть этих капелек поглощали из среды низкомолекулярные соединения: аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизма внутри протобионтов.

Обладавшие метаболизмом капельки включали в себя из окружающей среды новые соединения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигали размера, максимально допустимого в данных физических условиях, они распадались на более мелкие капельки, например, под действием волн, как это происходит при встряхивании сосуда с эмульсией масла в воде. Мелкие капельки вновь продолжали расти и затем образовывать новые поколения коацерватов.

Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ - центральное положение в гипотезе Опарина.

Генетическая гипотеза. Согласно этой гипотезе, вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые ее выдвинул в 1929 г. Г. Мёллер.

Экспериментально доказано, что несложные нуклеиновые кислоты могут реплицироваться и без ферментов. Синтез белков на рибосомах идет при участии транспортной (т-РНК) и рибосомной РНК (р-РНК). Они способны строить не просто случайные сочетания аминокислот, а упорядоченные полимеры белков. Возможно, первичные рибосомы состояли только из РНК. Такие безбелковые рибосомы могли синтезировать упорядоченные пептиды при участии молекул т-РНК, которые связывались с р-РНК через спаривание оснований.

На следующей стадии химической эволюции появились матрицы, определявшие последовательность молекул т-РНК, а тем самым и последовательность аминокислот, которые связываются молекулами             т-РНК.

Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплементарных цепей (например, синтез и-РНК на ДНК) - наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственного аппарата и, следовательно, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни.

Основные этапы биогенеза. Процесс биогенеза включал три основных этапа: возникновение органических веществ, появление сложных полимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), образование первичных живых организмов. 

Третий этап - появление первичных живых организмов. От простых углеродистых соединений химическая эволюция привела к высокополимерным молекулам, которые составили основу формирования примитивных живых существ. Переход от химической эволюции к биологической характеризовался появлением новых качеств, отсутствующих на химическом уровне развития материи. Главными из них были внутренняя организация протобионтов, приспособленная к окружающей среде благодаря устойчивому обмену веществ и энергии, наследование этой организации на основе репликации генетического аппарата (матричного кода).

А. И. Опарин с сотрудниками показал, что устойчивым обменом веществ с окружающей средой обладают коацерваты. При определенных условиях концентрированные водные растворы полипептидов, полисахаридов и РНК образуют коацерватные капельки объемом от          10-7 до 10-6 см³, которые имеют границу раздела с водной средой. Эти капельки обладают способностью ассимилировать из окружающей среды вещества и синтезировать из них новые соединения.

Так, коацерваты, содержащие фермент гликогенфосфорилазу, впитывали из раствора глюкозо-1-фосфат и синтезировали полимер, сходный с крахмалом.

Подобные коацерватам самоорганизующиеся структуры описал С. Фоке и назвал их микросферами. При охлаждении нагретых концентрированных растворов протеиноидов самопроизвольно возникали сферические капельки диаметром около 2 мкм. При определенных значениях рН среды микросферы образовывали двухслойную оболочку, напоминающую мембраны обычных клеток. Они обладали также способностью делиться почкованием.

Хотя микросферы не содержат нуклеиновых кислот и в них отсутствует ярко выраженный метаболизм, они рассматриваются в качестве возможной модели первых самоорганизующихся структур, напоминающих примитивные клетки.

Клетки - основная элементарная единица жизни, способная к размножению, в ней протекают все главные обменные процессы (биосинтез, энергетический обмен и др.). Поэтому возникновение клеточной организации означало появление подлинной жизни и начало биологической эволюции.

1.1.3 Эволюция одноклеточных организмов

До 1950-х годов не удавалось обнаружить следы докембрийской жизни на уровне одноклеточных организмов, поскольку микроскопические остатки этих существ невозможно выявить обычными методами палеонтологии. Важную роль в их обнаружении сыграло открытие, сделанное в начале XX в. Ч. Уолкотом. В докембрийских отложениях на западе Северной Америки он нашел слоистые известняковые образования в виде столбов, названные позднее строматолитами. В 1954 г. было установлено, что строматолиты формации Ганфлинт (Канада) образованы остатками бактерий и сине-зеленых водорослей. У берегов Австралии обнаружены и живые строматолиты, состоящие из этих же организмов и очень сходные с ископаемыми докембрийскими строматолитами. К настоящему времени остатки микроорганизмов найдены в десятках строматолитов, а также в глинистых сланцах морских побережий.

Самые ранние из бактерий (прокариоты) существовали уже около 3,5 млрд. лет назад. К настоящему времени сохранились два семейства бактерий: древние, или археобактерии (галофильные, метановые, термофильные), и эубактерии (все остальные). Таким образом, единственными живыми существами на Земле в течение 3 млрд. лет были примитивные микроорганизмы. Возможно, они представляли собой одноклеточные существа, сходные с современными бактериями, например, клостридиями, живущими на основе брожения и использования богатых энергией органических соединений, возникающих абиогенно под действием электрических разрядов и ультрафиолетовых лучей. Следовательно, в эту эпоху живые существа были потребителями органических веществ, а не их производителями.

Гигантский шаг на пути эволюции жизни был связан с возникновением основных биохимических процессов обмена - фотосинтеза и дыхания и с образованием клеточной организации, содержащей ядерный аппарат (эукариоты). Эти "изобретения", сделанные еще на ранних стадиях биологической эволюции, в основных чертах сохранились у современных организмов. Методами молекулярной биологии установлено поразительное единообразие биохимических основ жизни при огромном различии организмов по другим признакам. Белки почти всех живых существ состоят из 20 аминокислот. Нуклеиновые кислоты, кодирующие белки, монтируются из четырех нуклеотидов. Биосинтез белка осуществляется по единообразной схеме, местом их синтеза являются рибосомы, в нем участвуют и-РНК и т-РНК. Подавляющая часть организмов использует энергию окисления, дыхания и гликолиза, которая запасается в АТФ.

Рассмотрим подробнее особенности эволюции на клеточном уровне организации жизни. Наибольшее различие существует не между растениями, грибами и животными, а между организмами, обладающими ядром (эукариоты) и не имеющими его (прокариоты). Последние представлены низшими организмами - бактериями и сине-зелеными водорослями (цианобактерии, или цианеи), все остальные организмы - эукариоты, которые сходны между собой по внутриклеточной организации, генетике, биохимии и метаболизму.

Различие между прокариотами и эукариотами заключается еще и в том, что первые могут жить как в бескислородной (облигатные анаэробы), так и в среде с разным содержанием кислорода (факультативные анаэробы и аэробы), в то время как для эукариотов, за немногим исключением, обязателен кислород. Все эти различия имели существенное значение для понимания ранних стадий биологической эволюции.

Сравнение прокариот и эукариот по потребности в кислороде приводит к заключению, что прокариоты возникли в период, когда содер-жание кислорода в среде изменилось. Ко времени же появления эукариот концентрация кислорода была высокой и относительно постоянной.

Первые фотосинтесинтезирующие организмы появились около               3 млрд. лет назад. Это были анаэробные бактерии, предшественники современных фотосинтезирующих бактерий. Предполагается, что именно они образовали самые древние среди известных строматолитов. Обеднение среды азотистыми органическими соединениями вызывало появление живых существ, способных использовать атмосферный азот. Такими организмами, способными существовать в среде, полностью лишенной органических углеродистых и азотистых соединений, являются фотосинтезирующие азотфиксирующие сине-зеленые водоросли. Эти организмы осуществляли аэробный фотосинтез. Они устойчивы к продуцируемому ими кислороду и могут использовать его для собственного метаболизма. Поскольку сине-зеленые водоросли возникли в период, когда концентрация кислорода в атмосфере колебалась, вполне допустимо, что они - промежуточные организмы между анаэробами и аэробами.

С уверенностью предполагается, что фотосинтез, в котором источником атомов водорода для восстановления углекислого газа является сероводород (такой фотосинтез осуществляют современные зеленые и пурпурные серные бактерии), предшествовал более сложному двустадийному фотосинтезу, при котором атомы водорода извлекаются из молекул воды. Второй тип фотосинтеза характерен для цианей и зеленых растений.

Фотосинтезирующая деятельность первичных одноклеточных имела три последствия, оказавшие решающее влияние на всю дальнейшую эволюцию живого. Во-первых, фотосинтез освободил организмы от конкуренции за природные запасы абиогенных органических соединений, количество которых в среде значительно сократилось. Развившееся посредством фотосинтеза автотрофное питание и запасание питательных готовых веществ в растительных тканях создали затем условия для появления громадного разнообразия автотрофных и гетеротрофных организмов. Во-вторых, фотосинтез обеспечивал насыщение атмосферы достаточным количеством кислорода для возникновения и развития организмов, энергетический обмен которых основан на процессах дыхания. В-третьих, в результате фотосинтеза в верхней части атмосферы образовался озоновый экран, защищающий земную жизнь от губительного ультрафиолетового излучения космоса,

Еще одно существенное отличие прокариот и эукариот заключается в том, что у вторых центральным механизмом обмена является дыхание, у большинства же прокариот энергетический обмен осуществляется в процессах брожения. Сравнение метаболизма прокариот и эукариот приводит к выводу об эволюционной связи между ними. Вероятно, анаэробное брожение возникло на более ранних стадиях эволюции. После появления в атмосфере достаточного количества свободного кислорода аэробный метаболизм оказался намного выгоднее, так как при окислении углеводов в 18 раз увеличивается выход биологически полезной энергии в сравнении с брожением. Таким образом, к анаэробному метаболизму присоединился аэробный способ извлечения энергии одноклеточными организмами.

Когда же появились эукариотические клетки? На этот вопрос нет точного ответа, но значительное количество данных об ископаемых эукариотах позволяет сказать, что их возраст составляет около 1,5 млрд. лет.

 1.1.4 Возникновение и развитие многоклеточной организации

Следующая после возникновения одноклеточных ступень эволюции заключалась в образовании и прогрессивном развитии многоклеточного организма. Эта ступень отличается большой усложненностью переходных стадий, из которых выделяются колониальная одноклеточная, первично - дифференцированная, централизованно - дифференцированная.

Колониальная одноклеточная стадия считается переходной от одноклеточного организма к многоклеточному и является наиболее простой из всех стадий в эволюции многоклеточной организации.

Недавно обнаружены самые примитивные формы колониальных одноклеточных, стоящих как бы на полпути между одноклеточными организмами и низшими многоклеточными (губками и кишечнополостными). Их выделили в подцарство Mesozoa, однако в эволюции на многоклеточную организацию представителей этого полцарства считают тупиковыми линиями. Большее предпочтение при решении вопроса о происхождении многоклеточности отдается колониальным жгутиконосцам (Gonium, Pandorina, Volvox). Так, колония Gonium состоит из            16 объединенных клеток-жгутиконосцев, однако без всякой специализации их функций как членов колонии, т. е. представляет собой механический конгломерат клеток.

Первично-дифференцированная стадия в эволюции многоклеточной организации характеризуется началом специализации по принцип "разделения труда" у членов колонии. Элементы первичной специализации наблюдаются у колоний Pandorina morum (16 клеток), Eudorina elegans (32 клетки), Volvox globator (тысячи клеток). Специализация у названных организмов сводится к разделению клеток на соматические, осуществляющие функции питания и движения (жгутики), и генеративные (гонидии), служащие для размножения. Здесь наблюдается и выраженная анизогамия. На первично-дифференци-рованной стадии происходит специализация функций на тканевом, органном и системно-органном уровне. Так, у кишечнополостных уже сформировалась простая нервная система, которая, распространяя импульсы, координирует деятельность двигательных, железистых, стрекательных, репродуктивных клеток. Нервного центра как такового еще нет, но центр координации имеется.

С кишечнополостных начинается развитие централизованно-дифференцированной стадии в эволюции многоклеточной организации. На этой стадии усложнение морфофизиологической структуры идет через усиление тканевой специализации, начиная с возникновения зародышевых листков, детерминирующих морфогенез пищевой, выделительной, генеративной и других систем органов. Возникает хорошо выраженная централизованная нервная система: у беспозвоночных - ганглиолярная, у позвоночных - с центральным и перифе-рическим отделами. Одновременно совершенствуются способы полового размножения - от наружного оплодотворения к внутреннему, от свободной инкубации яиц вне материнского организма к живорождению.

Финалом в эволюции многоклеточной организации животных было появление организмов с поведением "разумного типа". Сюда относятся животные с высокоразвитой условно-рефлекторной деятельностью, способные передавать информацию следующему поколению не только через наследственность, но и надгаметным способом (например, передача опыта молодняку посредством обучения). Заключительным этапом в эволюции централизованно-дифференцированной стадии стало возникновение человека.

Рассмотрим основные этапы эволюции многоклеточных организмов в той последовательности, как она происходила в геологической истории Земли. Всех многоклеточных разделяют на три царства: грибы (Fungi), растения (Metaphyta) и животные (Metazoa). Относительно эволюции грибов известно очень мало, так как палеонтологическая
летопись их остается скудной. Два других царства намного богаче представлены ископаемыми остатками, дающими возможность довольно подробно восстановить ход их истории.    

1.1.5 Эволюция растительного мира

В протерозойскую эру (около 1 млрд. лет назад) эволюционный ствол древнейших эукариот разделился на несколько ветвей, от которых возникли многоклеточные растения (зеленые, бурые и красные водоросли), а также грибы. Большинство из первичных растений свободно плавало в морской воде (диатомовые, золотистые водоросли), часть прикреплялась ко дну.

Существенным условием дальнейшей эволюции растений было образование почвенного субстрата на поверхности суши в результате взаимодействия бактерий и цианей с минеральными веществами и под влиянием климатических факторов. В конце силурийского периода почвообразовательные процессы подготовили возможность выхода растений на сушу (440 млн. лет назад). Среди растений, первыми освоившими сушу, были псилофиты.

От псилофитов возникли другие группы наземных сосудистых растений: плауны, хвощи, папоротники, размножающиеся спорами и предпочитающие водную среду. Примитивные сообщества этих растений широко распространились в девоне. В этот же период появились и первые голосеменные, возникшие от древних папоротников и унаследовавшие от них внешний древовидный облик. Переход к размножению семенами имел большое преимущество, так как освободил половой процесс от необходимости водной среды (как это наблюдается еще у современных папоротников). Эволюция высших наземных растений шла по пути все большей редукции гаплоидного поколения (гаметофита) и преобладания диплоидного поколения (спорофита).

Значительного разнообразия достигла наземная флора в каменноугольный период. Среди древовидных широко распространялись плаунообразные (лепидодендроны) и сигилляриевые, достигавшие в высоту 30 м и более. В палеозойских лесах богато были представлены древовидные папоротники и хвощеобразные каламиты. Из первичных голосеменных господствовали разнообразные птеридоспермы и кордаиты, напоминавшие стволами хвойных и имевшие длинные лентовидные листья.

Начавшийся в пермский период расцвет голосеменных, в частности хвойных, привел к их господству в мезозойскую эру. К середине пермского периода климат стал засушливее, что во многом отразилось на изменениях в составе флоры. Сошли с арены жизни гигантские папоротники, древовидные плауны, каламиты, и постепенно исчез столь яркий для той эпохи колорит тропических лесов.

В меловой период произошел следующий крупный сдвиг в эволюции растений, - появились цветковые (покрытосеменные). Первые представители покрытосеменных были кустарниками или низкорослыми деревьями с мелкими листьями. Затем довольно быстро цветковые достигли огромного разнообразия форм со значительными размерами и крупными листьями (например, возникли семейства магнолиевых, платановых, лавровых). Опыление насекомыми и внутреннее оплодотворение создали значительные преимущества цветковых над голосеменными, что обеспечило их расцвет в кайнозое. В настоящее время число видов покрытосеменных составляет около 250 тыс., т. е. почти половину всех известных ныне видов растений.

Отметим основные особенности эволюции растительного мира:

1) Постепенный переход к преобладанию диплоидного поколения над гаплоидным. У многих водорослей все клетки (кроме зиготы) гаплоидны, у голосеменных и покрытосеменных почти полностью редуцируется гаметофит и значительно удлиняется в жизненном цикле диплоидная фаза.

2) Независимое половое размножение от капельноводной среды. Мощное развитие спорофита, переход от наружного оплодотворения к внутреннему, возникновение двойного оплодотворения и обеспечение зародыша запасами питательных веществ.

3) В связи с прикрепленным образом жизни на суше растение расчленяется на корень, стебель и лист, развиваются сосудистая проводящая система, опорные и защитные ткани.

4) Совершенствование органов размножения и перекрестного опыления у цветковых в сопряженной эволюции с насекомыми. Развитие зародышевого мешка для защиты растительного эмбриона от неблагоприятных влияний внешней среды. Возникновение разнообразных способов распространения семян и плодов физическими и биотическими факторами.

1.1.6 Эволюция животного мира

История животных изучена наиболее полно в связи с тем, что они обладают скелетом и поэтому лучше закрепляются в окаменелых остатках. Самые ранние следы животных обнаруживаются в конце докембрия (700 млн. лет). Предполагается, что первые животные произошли либо от общего ствола всех эукариот, либо от одной из групп древнейших водорослей. Наиболее близки к предкам простейших животных (Protozoa) одноклеточные зеленые водоросли. Не случайно, например, эвглену и вольвокс, способных и к фотосинтезу, и к гетеротрофному питанию, ботаники относят к типу зеленых водорослей, а зоологи - к типу простейших животных. За всю историю животного мира возникло 35 типов, из которых 9 вымерло, а 26 существуют до сих пор.

Разнообразие и количество палеонтологических документов в истории животных резко возрастают в породах, датируемых менее              570 млн. лет. В течение примерно 50 млн. лет довольно быстро появляются почти все типы вторичнополостных животных с прочным скелетом. Широко были распространены в морях силура трилобиты. Возникновение типа хордовых (Chordata) относится ко времени менее 500 млн. лет. Комплексы хорошо сохранившихся ископаемых найдены в сланцах Бергеса (Колумбия), содержащих остатки беспозвоночных, в частности мягкотелых организмов типа Annelida, к которому принадлежат современные дождевые черви.

Начало палеозоя отмечено образованием многих типов животных, из которых примерно треть существует в настоящее время. Причины такой активной эволюции остаются неясными. В позднекембрийское время появляются первые рыбы, представленные бесчелюстными - Agnata.

В дальнейшем они почти все вымерли, из современных потомков сохранились миноги. В девоне возникают челюстные рыбы в результате таких крупных эволюционных преобразований, как превращение передней пары жаберных дуг в челюсти и формирование парных плавников. Первых челюстноротых представляли две группы: лучеперые и лопастеперые. Почти все ныне живущие рыбы - потомки лучеперых. Лопастеперые представлены сейчас только двоякодышащими и небольшим числом реликтовых морских форм.

Лопастеперые имели в плавниках костные опорные элементы, из которых развились конечности первых обитателей суши. Ранее из группы лопастеперых возникли амфибии, следовательно, все четвероногие позвоночные имеют своим далеким предком эту исчезнувшую группу рыб.

Наиболее древние представители амфибий - ихтиостеги обнаружены в верхнедевонских отложениях (Гренландия). Эти животные обладали пятипалыми конечностями, с помощью которых они могли переползать по суше. Все же ряд признаков (настоящий хвостовой плавник, покрытое мелкими чешуйками тело) свидетельствует о том, что ихтиостеги обитали преимущественно в водоемах. Конкуренция с кистеперыми рыбами заставляла этих первых земноводных занимать промежуточные между водой и сушей местообитания.

Расцвет древних амфибий приурочен к карбону, где они были представлены большим разнообразием форм, объединяемых под названием "стегоцефалы". Среди них наиболее выделяются лабиринтодонты и крокодилообразные. Два отряда современных амфибий -хвостатые и безногие (или червяги) - произошли, вероятно, от других ветвей стегоцефалов.

От примитивных амфибий ведут свое начало рептилии, широко расселившиеся на суше к концу пермского периода благодаря приобретению легочного дыхания и оболочек яиц, защищающих от высыхания. Среди первых рептилий особенно выделяются котилозавры -небольшие насекомоядные животные и активные хищники - терапсиды, уступившие в триасе место гигантским рептилиям, динозаврам, появившимся 150 млн. лет назад. Вполне вероятно, что последние были теплокровными животными. В связи с теплокровностью динозавры вели активный образ жизни, чем можно объяснить их длительное господство и сосуществование с млекопитающими. Причины вымирания динозавров (примерно 65 млн. лет назад) неизвестны. Предполагают, в частности, что таковое могло быть следствием массового уничтожения яиц динозавров примитивными млекопитающими.

Более правдоподобной кажется гипотеза, согласно которой вымирание динозавров связано с резкими колебаниями климата и уменьшением растительной пищи в меловом периоде.

Уже в период господства динозавров существовала предковая группа млекопитающих - небольших по размеру с шерстным покровом животных, возникших от одной из линий хищных терапсид. Млекопитающие выходят на передний край эволюции благодаря таким прогрессивным адаптациям, как плацента, вскармливание потомства молоком, более развитый мозг и связанная с этим большая активность, теплокровность. Значительного разнообразия млекопитающие достигли в кайнозое, появились приматы. Третичный период был временем расцвета млекопитающих, но многие из них вскоре вымерли (например, ирландский олень, саблезубый тигр, пещерный медведь).

Прогрессивная эволюция приматов оказалась уникальным явлением в истории жизни, в итоге она привела к возникновению человека.

Наиболее существенные черты эволюции животного мира заключались в следующем:

1) Прогрессивное развитие многоклеточности и связанная с ним специализация тканей и всех систем органов. Свободный образ жизни (способность к перемещению) в значительной мере определил совершенствование форм поведения, а также автономизацию онтогенеза -относительную независимость индивидуального развития от колебаний факторов среды на основе развития внутренних регуляторных систем.

2) Возникновение твердого скелета: наружного - у членистоногих, внутреннего - у позвоночных. Такое разделение определило разные пути эволюции этих типов животных. Наружный скелет членистоногих препятствовал увеличению размеров тела, именно поэтому все насекомые представлены мелкими формами. Внутренний скелет позвоночных не ограничивал увеличение размеров тела, достигших максимальной величины у мезозойских рептилий - динозавров, ихтиозавров.

3) Возникновение и совершенствование централизованно-дифференцированной стадии органинополостных до млекопитающих. На этой стадии произошло разделение насекомых и позвоночных. Развитие центральной нервной системы у насекомых характеризуется совершенствованием форм поведения по типу наследственного закрепления инстинктов. У позвоночных развился головной мозг и система условных рефлексов, наблюдается ярко выраженная тенденция к повышению средней выживаемости отдельных особей.

Этот путь эволюции позвоночных привел к развитию форм группового адаптивного поведения, финальным событием которого стало возникновение биосоциального существа - человека.

1.1.7 Эволюция биосферы

С момента возникновения жизнь оформилась в виде примитивной биосферы, и с того времени ее эволюция тесно сопряжена с возникновением самых разнообразных видов микроорганизмов, грибов, растений, животных. Число вымерших видов, некогда обитавших на земном шаре, определяется разными авторами от одного до нескольких миллиардов (Дж. Симпсон). Сейчас выявлено более 1,5 млн. видов. Многообразие видов, существовавших в прошлом и населяющих планету сейчас, есть результат исторического развития биосферы в целом.

Согласно выдвинутому В. И. Вернадским закону, названному им "вторым биогеохимическим принципом", эволюция видов и возникновение устойчивых форм жизни шли в направлении усиления биогенной миграции атомов в биосфере.

Именно живому компоненту биосферы, а не физико-географическим или геологическим процессам принадлежит ведущая роль в преобразовании вещества и энергии на поверхности Земли. Взаимосвязь эволюции органического мира с основными биогеохимическими процессами в биосфере Вернадский усматривал прежде всего в биогенных миграциях химических элементов, т. е. в "прохождении" их через организмы. Определенные химические вещества (кальций, углерод) могут концентрироваться в организмах и при их отмирании скапливаться в минеральных и органических отложениях, в известняках, угле, торфе. Большая часть углекислого газа и азота в атмосфере - продукт жизнедеятельности организмов, насыщение ее кислородом было прямо связано с эволюцией фотосинтезирующих видов.

Основная структурная единица биосферы - биогеоценоз. Свойства биосферы, как отмечал выдающийся советский эколог С. С. Шварц, в значительной мере определяются ее рабочими единицами - биогеоценозами. Входя в состав биосферы, биогеоценозы, естественно, связаны между собой. Эта связь выражается в обмене живыми компонентами при миграции особей, а также в постоянных потоках минеральных и органических веществ через поверхностные и грунтовые воды.

Исторические преобразования биосферы в целом складываются из эволюции биогеоценозов и в свою очередь оказывают влияние на нее. Совокупность геологических и космических факторов существенно изменяла условия жизни на Земле. Поэтому уже с момента зарождения живое приспосабливалось к этим изменениям, что сопровождалось увеличением многообразия органических форм. Постепенно захват новых, ранее непригодных зон жизни привел к почти полному заселению всех возможных для существования живого мест обитания. В результате этого все более увеличивалось "давление жизни", обострялась борьба за существование между самими организмами.

Биотические факторы становятся ведущими в эволюции. Таким образом, эволюционные преобразования биосферы, обусловленные совместным действием биотических и абиотических факторов, - необходимые условия существования жизни на Земле.

Проблема эволюции самой биосферы еще только начинает разрабатываться. Достаточно сказать, что мало исследований, в которых бы предпринимались попытки выделить ступени эволюции биосферы. Ряд авторов ограничились описанием общего филогенеза жизни от архея до наших дней. Выделение же этапов в истории биосферы проводится по главным группам организмов, доминирующих в ту или иную эпоху, в соответствии с геологической периодизацией. Выделение этапов в истории жизни на Земле по доминирующим группам организмов в кембрии, ордовике, силуре и т. д. по существу является отражением эволюции индивидуальной формы организации, так как строится в основном на сравнительно-морфологическом принципе.

М. М. Камшилов выделил четыре основных этапа эволюции:

1) биохимическая эволюция, начавшаяся примерно 3 млрд. лет назад и закончившаяся к кембрию;

2) морфофизиологический прогресс, осуществляемый на протяжении 500 млн. лет до настоящего времени:

3) эволюция психики, начавшаяся около 250 млн. лет назад с момента появления насекомых;

4) эволюция сознания, связанная с возникновением и развитием человеческого общества на протяжении последних 500 тыс. лет.

В этой связи он намечает и выделение этапов эволюции биосферы. Первый этап - возникновение биотического круговорота, означавшего формирование биосферы. Второй этап - усложнение жизни на планете, обусловленное появлением многоклеточных организмов. Третий этап - формирование человеческого общества, оказывающего своей хозяйственно-экономической деятельностью все большее влияние на эволюцию биосферы (ноосфера). Попытки выделить основные этапы эволюции биосферы заслуживают внимания уже тем, что ставят эту проблему в качестве одной из важных задач современной эволюционной теории.

Жизнь представляет собой особую форму существования и движения материи с двумя характерными признаками: самовоспроизведением и регулируемым обменом веществ с окружающей средой. Все современные гипотезы происхождения жизни и попытки ее моделирования "в пробирке" исходят из этих двух фундаментальных свойств живой материи. Экспериментально удалось установить основные этапы, по которым могла возникать жизнь на Земле: синтез простых органических соединений, синтез полимеров, близких к нуклеиновым кислотам и белкам, образование первичных живых организмов (протобионтов) Собственно биологическая эволюция начинается с образования клеточной организации и в дальнейшем идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточной организации, разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.

И все же, как ни была бы сомнительна любая из теорий о развитии жизни на земле каждая теория имеет право на существование, раз имеет сторонников. Но человечество не остановится на этом - оно будет искать единственно правильную теорию, даже если нужно будет разрушить то, что есть. Человечество поставило перед собой мучительную и сладкую загадку, теперь появилась проблема на нее ответить.

Самые первые организмы на нашей планете зародились, скорее всего, в океане.

От них в ходе эволюции произошли разные виды растений и животных. За сотни миллионов лет истории Земли одни формы жизни сменялись другими.

Жизнь возникла на Земле более 3,5 млрд. лет назад и сначала была представлена одноклеточными существами. От них произошли разнообразные организмы.

Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад. Ученые определили это по возрасту самых древних горных пород. Первый миллиард лет наша планета была безжизненной. Как зародилась жизнь, неизвестно, но для этого нужны были вода, кислоты и некоторые другие вещества. В результате химических реакций возникли сложные молекулы, которые были способны воспроизводить себе подобных. Такие молекулы могли быть занесены из космоса с метеоритами, но могли и синтезироваться из более простых молекул на Земле под воздействием грозовых электрических разрядов и солнечного света.

Первые живые существа

Из самовоспроизводящихся молекул постепенно образовались простейшие одноклеточные организмы, обитавшие в океанах. Самые древние свидетельства жизни – это окаменелые остатки бактерий и водорослей, найденные в породах, которым около 3,5 млрд. лет.

Начиная с простейших организмов, жизнь развивалась во многих направлениях. Две основные ветви развития – это растения и животные.

Эволюция

Все виды растений и животных появились в результате процесса постепенного изменения – эволюции. Современные животные и растения произошли от более древних видов, которые сейчас вымерли. Миллионы лет тому назад моря кишели трилобитами (класс членистоногих) и аммонитами (группа головоногих моллюсков). Сей-час от них остались только окаменелые панцири в толще

осадочных горных пород. Животные вымирали, поскольку менялись условия их жизни. Одни виды вытеснялись другими, сумевшими приспособиться к новым условиям.

Древо жизни

Историю Земли разделяют на 4 эры деятельностью в десятки и даже сотни миллионов лет – это докембрий, палеозой, мезозой и кайнозой. В течение палеозоя произошло колоссальное увеличение видового разнообразия организмов. Некоторые из них покинули теплые мелководья морей и переселились на сушу. Постепенное изменение организмов во времени называют эволюцией. В процессе эволюции образовались многие ответвления жизни. По мере того, как одни виды вымирали, развивались другие. В результате создалось удивительное разнообразие живых организмов, которое существует сейчас на земле.

Эры

Миллионы лет назад

	Существует 5 царств организмов.

 

Среди всех изученных современных организмов животные составляют примерно 75%, растения – 18%. Остальные организмы – это грибы, бактерии и протисты.

1.1.8 Путешествия ученого

Весь ход развития науки XIX века неудержимо вел к формиро­ванию исторического взгляда на природу. Однако возникновение учения о развитии органического мира было обусловлено не только ходом развития естественных наук, но и социально-экономическими причинами.

В первой половине XIX века Англия была передовой капитали­стической страной с высоким уровнем развития производительных сил. Для освоения новых земель туда направлялись военные, торго­вые и исследовательские экспедиции. В одной из них принял уча­стие Чарльз Дарвин. Его путешествие дало возможность провести обширные геологические, зоологические и ботанические наблюде­ния, которые привели к выводу о несостоятельности теории посто­янства видов.

Естественные науки к этому времени накопили огромное коли­чество фактов, которые нельзя было совместить с метафизическими представлениями о неизменяемости природы. Одной из научных предпосылок возникновения учения Дарвина было эволюционное учение Ламарка.

Большое влияние на Чарльза Дарвина оказала и работа Чарльза Лайеля, который показал, что геологические изменения происходят под влиянием непрерывного выветривания, размывания, вулканиче­ской деятельности и других естественных сил. Представление о по­степенном преобразовании Земли и условий жизни на ней привели к учению о постепенном преобразовании организмов, их приспособ­лении к изменяющейся среде. Учению об изменчивости видов.

Развитие различных областей биологии также наталкивало на мысль об изменяемости в природе. Об этом свидетельствовали многочисленные факты из области сравнительной анатомии, систематики, палеонтологии, эмбрионологии и клеточной теории.

Под влиянием работ Бэра зоологи XIX указывали на то, что для определения систематического положения организма важно знать ранние стадии его эмбрионального развития, когда появляются первые характерные признаки данной группы организмов.

Так, у эмбрионов позвоночных происходит ранняя закладка нервной трубки и хорды (признаки, характерные для всей этой группы, начиная от рыб и до млекопитающих включительно). Следовательно, хорда и нерв­ная трубка - важнейшие признаки позвоночных животных.

Во второй четверти XIX века были сделаны крупные открытия, касающиеся строения клетки. Английский ботаник Р. Броун в расти­тельных клетках открыл ядро, а М. Шлейден и Т. Шванн создали клеточную теорию, которая дала прочное научное обоснование уче­нию о единстве органического мира.

На формирование эволюционных взглядов Дарвина большое влияние оказали также широко распространенные в Англии идеи, порожденные социально-экономическими условиями, - идея свобо­ды конкуренции и всеобщей борьбы за существование в человече­ском обществе. Свобода конкуренции, борьба за существование провозглашались как всеобщий закон природы. Из работы А. Смита «Исследование о природе и причинах богатства народов» Дарвин извлек идею о естественной «гибели неудачников», что позволило ему подойти к идее естественного отбора.

Большое значение в формировании эволюционных взглядов Дарвина сыграли его собственные открытия, сделанные им во время путешествия на корабле «Бигль». Изучив геологию Южной Амери­ки, Дарвин убедился в несостоятельности теории катастроф и под­черкнул значение естественных факторов в истории земной коры и ее животного и растительного населения. Благодаря палеонтологи­ческим находкам он отмечает сходство между вымершими и совре­менными животными Южной Америки. Он находит так называемые переходные формы, которые совмещают признаки нескольких отря­дов. Таким образом. Был установлен факт преемственности между современными и вымершими формами.

Особенно интересные данные Дарвин собрал на Галапагосских островах, лежащих в 950 км от Западного побережья Южной Аме­рики в Тихом океане. Эти острова вулканического происхождения, молоды в геологическом отношении, то есть возникли позже Аме­риканского континента. Изучая живущие там эндемичные формы черепах, вьюрков и др., он отметил, что фауна этого архипелага схожа с фауной Южной Америки, но вместе с тем и отличается от нее.

Дарвин показывает американское происхождение галапагос­ской фауны. Он отмечал, что на каждом острове этого архипелага имеется своя форма вьюрков. Но все они образует одну естествен­ную группу и произошли от одного первоначального вида, жившего на близлежащем Американском материке.

Итак, в начале XIX века на основе обширного фактического ма­териала были сделаны некоторые важные обобщения: об изменяемо­сти видов, о естественных группах организмов, единстве плана строения организмов, смене форм и увеличении в последовательных геологических горизонтах сходства в строении вымерших форм с современными, об историческом развитии земной коры, а также о сходстве зародышей систематически далеких друг от друга групп животных.

Таким образом, учение об эволюции органического мира - крупнейшее обобщение естествознания XIX века - было подготов­лено как предшествующим развитием научной мысли, так и соци­ально-экономическими условиями.

1.1.9 Изменчивость в природе

Исходным положением учения Дарвина является его утвержде­ние о наличии изменчивости в природе.

Изменчивостью называют общее свойство организмов приоб­ретать новые признаки - различия между особями в пределах вида.

Изменчивость хорошо прослеживается при сравнениях многих пород животных и сортов растений, выведенных человеком в раз­личных местах земного шара. Так, в Северной Африке имеется 38 разновидностей финиковой пальмы. Только на одном острове Поли­незии возделывается 24 формы хлебного дерева и столько же форм бананов. В Китае выращивают 63 сорта бамбука. В пределах любого вида животных и растений, а в культуре - в пределах любого сорта и породы нет одинаковых особей. Еще К. Линней указывал, что оле­неводы узнают в своем стаде каждого оленя, пастухи - каждую ов­цу. Намного сильнее это способность развита у садоводов. Многие садоводы распознают сорта гиацинтов и тюльпанов по луковицам. Значит, все животные и растения отличаются от себе подобных, хотя неопытному глазу и кажутся одинаковыми. Исходя из этих фактов, Дарвин делает вывод о том, что животным и растениям присуща из­менчивость.

Анализируя материал по изменчивости животных, ученый за­метил, что достаточно любой перемены в условиях содержания, чтобы вызвать изменчивость. Он различал две основные формы из­менчивости: групповую, или определенную, и индивидуальную, или неопределенную.

При групповой, определенной, но не наследственной изменчи­вости многие особи данной породы или сорта под влиянием кон­кретной причины изменяются одинаковым образом. Так, например, рост организмов зависит от количества пищи, окраска - от ее каче­ства.

Под индивидуальной, неопределенной, наследственной из­менчивостью следует понимать те небольшие различия, которыми отличаются друг от друга особи одного и того же вида.  Это измене­ния, возникающие в результате неопределенного воздействия усло­вий существования на каждую особь, такие изменения появляются у животных одного помета, у растений, выросших из семян одной ко­робочки. Неопределенность этих изменений заключается в том, что под действием одних и тех же условий особи изменяются по-разному.

В работе "Происхождение видов..." Дарвин отметил важней­шую черту эволюционного процесса - его приспособительный ха­рактер. Виды непрерывно приспосабливаются к условиям существо­вания, и организация любого вида постоянно совершенствуется. За­слугой эволюционного учения и является объяснение этого совер­шенства организмов как результата исторического накопления приспособлений.

Процесс возникновения целесообразной организации можно проследить на примере любой, достаточно изученной в эволюцион­ном плане группы организмов. Хорошим примером является эволю­ция лошади. Изучение предков лошади позволило показать, что ее эволюция была связана с переходом от жизни в лесах на топкой почве к жизни в открытых сухих степях.

Вместе с развитием приспособлений в эволюции любой груп­пы проявляется так называемое приспособительное многообразие. Оно заключается в том, что на фоне единства организации и наличия общих систематических признаков представители любой естествен­ной группы организмов всегда отличаются специфическими призна­ками, определяющими их приспособленность к конкретным услови­ям обитания.

В связи с жизнью в сходных условиях обитания неродствен­ные формы организмов могут приобретать сходные приспособления. Например, такие систематически далекие формы, как акула и дель­фин, имеют сходный внешний вид, являющийся приспособлением к одинаковым условиям жизни в определенной физической среде, в данном случае в воде. Сходство между далекими в систематическом отношении организмами называется конвергенцией. Широкое рас­пространение конвергенции между неродственными формами есть прямое следствие дивергентного развития большинства естествен­ных групп в пределах сходных местообитаний.

Как случаи дивергенции, так и случаи конвергенции есть ни что иное, как проявление эволюционных преобразований, проявление приспособитель­ного характера эволюции.

Чарльз Дарвин считал, что любое приспособление относительно и вре­менно.

Приспособление — это не какое-то особое свойство организма, а лишь проявление взаимодействий конкретных признаков в конкретных ус­ловиях. Если бы организмы обладали способностью всегда изменяться только приспособительно, то в их организации нельзя было бы обнаружить признаков нецелесообразности. Однако такие примеры нецелесообразного в организации и поведении организмов встречаются довольно часто.

В природе нет организмов, идеально приспособленных к условиям окру­жающей среды. Это особенно четко прослеживается, когда поведение орга­низмов не обусловлено их образом жизни.

Целесообразность - это исторически возникшее явление при постоянном действии естественного отбора, и потому она проявляется по-разному на различных этапах эволюции. Кроме того, относительность приспособлен­ности обеспечивает возможность дальнейшей перестройки и совершенство­вания имеющихся у данного вида адаптаций, то есть бесконечность эволю­ционного процесса. В качестве аналогии с искусственным отбором можно привести результаты селекционной деятельности человека, который посто­янно совершенствует полезные для него признаки и свойства сортов расте­ний и пород животных.

1.1.10 Искусственный отбор

Дарвин различает два вида искусственного отбора - методиче­ский, или сознательный, и бессознательный отбор. Сущность ме­тодического отбора заключается в следующем: приступая к работе, селекционер ставит перед собой определенную задачу в отношении тех признаков, которые он хочет развить у данной породы. Прежде всего, эти признаки должны быть хозяйственно ценными, а некото­рые из них должны удовлетворять эстетические потребности чело­века.

Признаки, с которыми работают селекционеры, могут быть и морфологическими, и функциональными. К ним может относиться и характер поведения животных, например, драчливость у бойцовых петухов.

Решая поставленную перед собой задачу, селекционер вы­бирает из уже имеющегося материала все то лучшее, в чем проявля­ется хотя бы в малой степени интересующие его признаки. Выбран­ные особи содержатся в изоляции во избежание нежелательного скрещивания. Затем селекционер выбирает пары для скрещивания. После этого, начиная уже с первого поколения, он ведет строгий от­бор лучшего материала и выбраковку того, который не удовлетворя­ет предъявленным требованиям.

Таким образом, методический отбор - это творческий процесс, приводящий к образованию новых пород и сортов. Используя этот метод, селекционер, как скульптор лепит новые органические фор­мы по заранее продуманному плану.

Успех искусственного отбора зависит от степени изменчивости исходной формы: чем сильнее изменяются признаки, тем легче най­ти нужные изменения. Немалое значение имеет и величина исход­ной партии: в большой партии большие возможности выбора, со­хранению отобранного материала способствует устранение скрещи­вания с другими формами, то есть изоляция и накопляющее дейст­вие отбора, другими словами, усиление нужных признаков в поко­лениях вследствие отбора в одном и том же направлении. Дарвин отмечал, что это усиление новых признаков достигается в процессе дивергенции, то есть уклонения от первоначальной формы.

Бессознательный отбор производится человеком без опреде­ленной, заранее поставленной задачи. Дарвин показал, что такой от­бор действительно имеет место. Так, например, крестьянин, имеющий двух коров, желая использовать одну из них на мясо, зарежет ту, которая дает меньше молока; из кур он использует на мясо самых плохих несушек. В обоих случаях крестьянин, сохраняя наиболее продуктивных животных, производит направленный отбор, хотя и не ставит перед собой цели вывести новые породы. Именно такую примитивную форму отбора Дарвин называет бессознательным от­бором.

Во время своего путешествия, изучая жизнь полуцивилизован­ных народов Южной Африки и Австралии, Дарвин убедился, что и эти народы применяют бессознательный отбор. Очевидно, бессозна­тельный отбор издавна производился человеком при одомашнива­нии диких животных. Все это дало возможность сделать важный вы­вод о том, что в практике сельского хозяйства новые формы живот­ных и растений всегда получают только путем отбора. Следователь­но, в учении об искусственном отборе Чарльз Дарвин открыл закон, которому подчиняется процесс выведения новых пород животных и сортов растений.

Несмотря на то, что методический отбор является более про­грессивной формой, в своем учении особое значение Дарвин прида­ет отбору бессознательному. По его мнению, бессознательный отбор - это мостик между искусственным и естественным отбором. При бессознательном отборе человек не ставит перед собой цели выве­дения новой породы и выступает по отношению к полученному ре­зультату лишь как слепой отбирающий фактор, каким может быть любой другой фактор среды.

Дарвин указал условия, благоприятствующие проведению ис­кусственного отбора:

•          Высокая степень изменчивости организмов.

•          Большое число особей, подвергаемых отбору.

•          Искусство селекционера.

•          Устранение случайных особей.

•          Достаточно высокая ценность данных животных или растений для человека.

1.1.11 Естественный отбор

По Дарвину, эволюция видов в природе обусловливается фак­торами, аналогичными тем, которые определяют эволюцию куль­турных форм. Предпосылкой эволюции видов является наследст­венная изменчивость. Дарвин и здесь различает те типы изменчиво­сти, которые он выделил в отношении культурных форм, отмечая особую значимость неопределенной (индивидуальной) изменчиво­сти. Он считал, что незначительные индивидуальные изменения ор­ганизмов ведет к образованию их разновидностей. Вот почему дока­зательства изменяемости видов он начинает с анализа индивидуаль­ной изменчивости, существующей в природе. Затем Дарвин доказы­вает наличие в природе и других факторов, обусловливающих воз­можность эволюции: помимо наследственной изменчивости необхо­димо наличие отбирающего фактора. Роль отбирающего фактора выполняет естественный отбор, в основе которого лежит борьба за существование, возникающая вследствие огромной интенсивности размножения организмов, приводящих к перенаселенности.

Частным случаем естественного отбора является половой от­бор, который связан не с выживанием данной особи, а лишь с ее воспроизводительной функцией, то есть с размножением. Половой отбор действует на признаки, связанные с различными аспектами этой важнейшей функции.

Половой отбор проявляется наиболее ярко при обостренной конкуренции особей одного пола, возникающей в результате специ­фических форм организации жизни вида (полигамия или полианд­рия). Следствием полового отбора является развитие внешних при­знаков, различающих самцов и самок.

БОРЬБА ЗА СУЩЕСТВОВАНИЕ

Важнейшее место в теории естественного отбора занимает концеп­ция борьбы за существование. Согласно Дарвину, борьба за сущест­вование является результатом тенденции организмов любого вида к безграничному размножению. Какие же силы осуществляют элими­нацию части потомства в природе? Дарвин обращает внимание на широкую взаимосвязь между организмами и их связь с окружающей средой. Хищник, для того чтобы жить, должен питаться, и пищей ему служат травоядные животные. Травоядное животное, чтобы жить, поедает многие тысячи луговых растений. Растения уничто­жаются насекомыми. Насекомые же являются кормом для насекомо­ядных птиц, которые в свою очередь истребляются хищными пти­цами. Эти сложные взаимосвязи Дарвин назвал борьбой за сущест­вование.

Борьба за существование принимает самые разные формы. Это, во-первых, непосредственное уничтожение одной особи другой, во-вторых, широко распространенная конкуренция в борьбе за свет, влагу, пищу и место на земле. Растение, отставшее в росте, вытесня­ется другими растениями, недостаток света еще больше угнетает его, и, наконец, оно погибает. Различные проявления борьбы за су­ществование Дарвин сводил к трем видам: межвидовая, внутривидо­вая и борьба с условиями неорганической внешней среды. Примеры межвидовой борьбы многочисленны. Это отношения меж­ду хищником и жертвой, травоядными животными и растениями, насекомыми и насекомоядными птицами; это конкурентная борьба между культурными растениями и сорняками, между деревьями разных видов в лесу и между травами на лугу. Сюда же можно отне­сти и явление антагонизма между разными видами микроорганиз­мов.

Поскольку под борьбой за существование Дарвин понимал зависи­мость организма от физических факторов внешней среды и других живых существ, а также успех особи "в обеспечении себя потомст­вом", то в своей книге "Происхождение видов" он рассматривает и внутривидовые отношения как один из основных видов борьбы за существование.

Подчеркивая роль перенаселения как фактора, обуславливающего борьбу за существование, Дарвин сделал вывод, что наиболее ожес­точенной должна быть внутривидовая борьба, как конкуренция ме­жду особями одного вида, которые обладают сходными жизненными потребностями.

Кроме того, он проанализировал взаимоотношения особей близких и отдаленных видов. Особи отдаленных видов, как правило, имеют различные потребности. Иногда их потребности частично совпадают, и тогда между ними возникает конкурентная борьба за те или иные условия жизни. Напротив, у особей близких видов, и тем более у одного вида, почти все потребности совпадают, поэтому конкурентная борьба между ними становится особенно ост­рой.

Огромную роль в процессе элиминации особи в растительном и жи­вотном мире играют условия неорганической внешней среды. Дар­вин приводит пример, когда во время суровой зимы в той местности, где он жил, погибло 80%птиц. Множество растений уничтожается почти ежегодно поздними заморозками, засухой, резкими климати­ческими колебаниями. При недостатке растворенного в воде кисло­рода в водоемах гибнут рыбы. Пропадает значительная масса семян, заносимых ветром в неблагоприятные условия.

Перенаселение - необходимая предпосылка возникновения борьбы за существование. Однако самой общей причиной борьбы за суще­ствование является относительная приспособленность организмов к окружающей их среде. Это объясняется тем, что физико-химические и биотические (создаваемые самими организмами) условия среды всегда колеблются, изменяются в том или ином направлении. Такие факторы окружающей среды, как количество пищи, влаги, освещен­ность, численность и активность врагов и паразитов, постоянно ме­няются. Гибель организмов из-за отсутствия необходимых условий для жизни обычно в природе, и они постоянно "борются" с неблаго­приятными условиями окружающей среды.

Борьба за существование приводит к гибели организмов или сниже­нию плодовитости, что в эволюционном плане одно и то же. Какие же особи выживают в процессе борьбы за существование, и какие гибнут? Является ли выживание чистой случайностью? Для решения этого вопроса вновь обратимся к практике сельского хозяйства. При искусственном отборе селекционер оставляет для размножения особи, обладающие хотя бы небольшими полезными изменениями. Наличие полезных изменений должно играть опреде­ленную роль и при естественном отборе, только в первом случае речь идет об изменениях, полезных для человека, а во втором - об изменениях, полезных для самих организмов. Всякое, даже мелкое полезное организму изменение будет повышать вероятность его вы­живания. Другими словами, выживают особи, наиболее приспособ­ленные к условиям окружающей среды.

Следовательно, естественный отбор - это идущий в природе про­цесс, при котором в результате воздействия условий среды на разви­вающиеся организмы сохраняются особи с полезными признаками, повышающими выживаемость в данных условиях среды и обуслов­ливающими более высокую их плодовитость.

Следовательно, в результате естественного отбора выживают виды, наиболее приспособленные к тем конкретным условиям среды, в ко­торых протекает их жизнь. Приспособленные изменения возникают постепенно. Естественный отбор способствует накоплению полез­ных изменений из поколения в поколение, и через много поколений особи данного вида значительно отличаются от своих предков. Таким образом, Дарвин установил, что отбор имеет место и в есте­ственных условиях без участия человека. Именно благодаря естест­венному отбору происходит непрерывный процесс адаптации, со­вершенствования приспособлений, дивергенции и видообразования, то есть процесс эволюции.

В самом общем виде схема действия естественного отбора по Дар­вину сводится к следующему. Из-за присущей всем организмам не­определенной изменчивости внутри вида появляются особи с новы­ми признаками. Они отличаются от обычных особей данной группы (вида) по потребностям. Вследствие различной приспособленности старых и новых форм борьба за существование приводит те или иные формы к элиминации. Как правило, устраняются менее укло­нившиеся, ставшие в процессе дивергенции промежуточными, организмы. Промежуточные формы попадают в условия напряженной конкуренции. Это означает, что однообразие, повышающее конкуренцию, является вредным, а уклоняющиеся формы оказываются в более выгодном положении и их численность увеличивается. Процесс дивергенции происходит в природе постоянно. В результате образуются новые разновидности, и подобное обособление разно­видностей в конце концов приводит к появлению новых видов. В природе часто встречаются признаки, которые могут показаться на первый взгляд нецелесообразными, например, яркая окраска и гром­кий голос у птиц, что выдает их присутствие. Это кажущееся проти­воречие с "ожидаемыми" результатами естественного отбора объясняет дарвиновская теория полового отбора. Такая форма отбора, по
мнению Дарвина, определяется борьбой между особями одного по­ла, обычно самцами, за обладание особями другого пола. Следова­тельно, половой отбор - это частный случай внутривидового естественного отбора в период размножения. Дарвин различает два типа полового отбора. В первом случае происходит борьба между самца­ми, во втором - активность проявляют самки, а самцы лишь конку­рируют между собой с целью возбудить самок, которые выбирают наиболее привлекательных самцов.

Результаты обоих типов полового отбора различаются между собой. При первой форме отбора по­является сильное и здоровое потомство, хорошо вооруженные сам­цы (появление шпор, рогов). При второй усиливаются такие вторич­но-половые признаки, как яркость оперения, особенности брачных песен, издаваемый самцом запах, служащий для привлечения самки.

Несмотря на кажущуюся нецелесообразность признаков, поскольку
они привлекают хищников, у такого самца повышаются шансы на
оставление потомства, что оказывается выгодным виду в целом.
Важнейший результат полового отбора - появление вторично-
половых признаков и связанного с ними полового диморфизма.
В различных обстоятельствах естественный отбор может идти с раз­
личной  интенсивностью, Дарвин отмечает обстоятельства, благоприятствующие естественному отбору:

Ø  достаточно высокая частота проявления неопределенных наследственных изменений;

Ø  многочисленность особей вида, повышающая вероятность проявления полезных изменений.

Ø  Неродственное скрещивание, увеличивающее размах изменчиво­сти в потомстве. Дарвин отмечает, что перекрестное опыление встречается изредка даже среди растений-самоопылителей.

Ø  Изоляция группы особей, препятствующая их скрещиванию с ос­тальной массой организмов данной популяции.

Ø  широкое распространение вида, так как при этом на границах ареала особи встречаются с различными условиями, и естествен­ный отбор будет идти в разных направлениях и увеличивать внутривидовое разнообразие.

Наряду с этими обстоятельствами главным условием успеха есте­ственного отбора является его накопляющее действие, в котором и заключается основа его творческой видообразующей деятельности.

Опорные точки:

1)       Живые системы проявляют общие свойства, отличающие их от объектов неживой природы.

2)       Обменные процессы в живом веществе биосферы обеспечивают гомеостаз – постоянство структурно-функциональной организации системы.

3)       Первыми живыми организмами на нашей планете были гетеротрофные прокариотические организмы.

4)       Истощение органических запасов первичного океана вызвало появление автотрофного типа питания (фотосинтеза). Появление эукариотических организмов сопровождалось возникновением диплоидности и ограниченного оболочной ядра.

Основные положения:

1)       Выделение уровней организации живой материи позволяет наиболее полно характеризовать отдельные проявления жизнедеятельности.

2)       Основа всех явлений жизни – процессы межмолекулярного взаимодействия органических соединений.

3)       В многоклеточных организмах клетки образуют ткани, из них формируются органы, которые выстраивают тело.

4)       Организм, или особь, представляет собой самостоятельную, свободно существующую в сообществе себе подобных и других организмов биологическую систему, обладающую определенным генофондом.

5)       Виды живых организмов интегрированы в сообщества – биоценозы.

6)       Совокупность биоценозов формирует биосферу в целом. В биосфере живые организмы осуществляют непрерывный обмен веществ – круговорот элементов и молекул.

7)       Все живые системы различного уровня организации проявляют одинаковые свойства, отличающие живое от объектов неживой природы.

Вопросы для повторения:

1)       Перечислите и охарактеризуйте общие свойства живых систем.

2)       Как проявляются различные свойства живого на различных уровнях организации?

Проблемные области:

1)       Каковы критерии выделения отдельных уровней организации живой природы?

2)       В чем принципиальные отличия свойств живой и неживой материи?

3)       В чем заключается необходимость качественной характеристики свойств живого?

Тема 1.2 Микроэволюция и макроэволюция. Происхождение человека.

1.2.1 Вид. Критерии вида

Вид - совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, сво­бодно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособлен­ных к определенным условиям жизни и занимающих в природе определен­ную область - ареал.

Вид - явление историческое; он возникает, развивается, достигает полно­го развития, а затем при изменившихся условиях среды исчезает, уступая место другим видам, или сам изменяется, давая начало формам.

Вида как категории строго определенной, всегда себе равной и неизмен­ной, в природе не существует. Но вместе с тем следует признать, что виды в наблюдаемый нами момент имеют реальное существование. Такая точка зрения на виды как реально существующие формы материи, возникающие в историческом процессе развития, является общепринятой.

Виды отличаются друг от друга определенными признаками во внешнем и внутреннем строении и характером обмена веществ. Каждый вид харак­теризуется своим ареалом. Вид - это конкретное звено (этап) в эволюции живых организмов, основная форма существования жизни на Земле. Он рассматривается как сложная система внутривидовых единиц - популяций. Между популяциями внутри вида осуществляется обмен генетической ин­формацией благодаря постоянной миграции особей.

Виды, как правило, хорошо изолированы в природе. Появление нового вида является центральным и важнейшим этапом эволюции живого на Зем­ле. Возможность подразделения живых организмов на отдельные виды свя­зана с тем, что группы, образующие отдельные виды, обладают определен­ным комплексом свойств. В одних случаях виды внутри рода могут резко различаться морфологически, в других - особенностями географического распределения, а совместно обитающие виды - лишь характером поведе­ния. В связи с таким разнообразием характеристик видов необходимы чет­кие критерии для их выделения.

Критерии - характерные для вида признаки и свойства. Таких критери­ев несколько.

Морфологический критерий предполагает описание внешних призна­ков особей, входящих в его состав.

Морфологические различия между ви­дами могут быть выражены четко или нечетко, а иногда еле уловимы. Этот критерий не является абсолютным, так как одни и те же признаки у одних и тех же групп организмов могут иметь разное систематическое значение. В мире животных окраска может быть отличительным признаком вида (у многих насекомых, рептилий), хотя в некоторых случаях она отражает лишь индивидуальные особенности (у большинства культурных растений и домашних животных). Значительные морфологические вариации между сортами и породами следует рассматривать как внутривидовые, а незначи­тельные различия в природных условиях могут оказаться видовыми. В сис­тематике при абсолютизации морфологического критерия часто возникает путаница: за отдельные виды принимаются географические и экологиче­ские расы одного вида.

Биохимический критерий также относителен, поскольку не существует каких-либо "видовых веществ". Он используется часто, ибо между видами существует количественное различие по многим биохимическим особенно­стям. Так, обнаружены различия в соотношении пуриновых (аденин и гуа­нин) и пиримидиновых (тимин и цитозин) оснований у видов одного рода, которые могут быть использованы при определении вида. Однако этот кри­терий не всегда является надежным, так как виды разных родов могут ха­рактеризоваться сходным отношением азотистых оснований.

Географический критерий - это определенный ареал, занимаемый ви­дом в природе. Он может быть большим или меньшим, прерывистым или сплошным. Есть виды, распространенные повсеместно и нередко в связи с деятельностью человека (многие виды сорных растений, насекомых-вредителей). Географический критерий также не может быть решающим.

Экологический критерий, основа его - совокупность факторов внешней среды, в которой существует вид. Позволяет выявить некоторые особенно­сти видов и определить их место в биоценозе. Например, лютик едкий рас­пространен на лугах и полях; в более сырых местах растет лютик ползучий; по берегам рек и прудов, на болотистых местах встречается лютик жгучий (прыщинец).

Генетический критерий - это характерный для каждого вида набор хромосом, строго определенное их число, размеры и форма. Это главный видовой признак. Особи разных видов имеют разный набор хромосом, по­этому они не могут скрещиваться, и отграничены друг от друга в естест­венных условиях.

Физиологический критерий - скрещиваться степень половой изоляции групп организмов. В основе физиологического критерия лежит сходство всех процессов жизнедеятельности у особей одного вида, прежде всего сходство размножения. Он также относителен, поскольку не может приме­няться в случаях отсутствия полового процесса или в случаях изолирован­ных географических и экологических рас. Представители разных видов, как правило, не скрещиваются или потомство их бесплодно.

Нескрещиваемость видов объясняется различиями строения полового аппарата, в сроках раз­множения и другими. Однако в природе есть виды, которые скрещиваются и дают плодовитое потомство (некоторые виды канареек, зябликов, топо­лей, ив). Следовательно, физиологический критерий недостаточен для оп­ределения видовой принадлежности особи.

Таким образом, ни один из перечисленных критериев вида не является абсолютным и универсальным. При определении вида необходимо учиты­вать все критерии в совокупности, при этом основное внимание необходи­мо уделять такому свойству вида, как его генетическое единство и полная изоляция в природных условиях от других видов.

В природных условиях виды практически полностью репродуктивно изо­лированы друг от друга, то есть не скрещиваются.

Вид является центральным и главным качественным этапом процесса эволюции, потому что он представляет собой наименьшую неделимую, ге­нетически закрытую систему в живой природе. Вид внутренне противоре­чив. С одной стороны, вид как результат эволюции целостен, приспособлен к данной среде, стабилен и генетически обособлен от других видов. С дру­гой — как этап эволюционного процесса он динамичен и имеет нечеткие границы вследствие своей изменяемости.

1.2.2 Популяция - единица эволюции

Особи любого вида распространены в пределах ареала неравномерно, как бы островами, то есть густонаселенные участки сменяются редконаселен­ными. В лесостепи Западной Сибири береза распространена островами -рощи, леса, степи. В средней полосе европейской части береза встречается сгущениями. На один кв. километр в чистых березняках растут тысячи де­ревьев, в смешанных лесах — несколько сотен. Такие сгущения чередуются с лугами, где на один кв. километр попадаются единичные березы.

Неравномерность распределения особей одного вида в ареале связана с различиями в условиях жизни, сложившимися в разных его участках (мик­роклимат, кормовые объекты, почва, другие виды и т. п.).

Виды, жизнь ко­торых связана с древесной растительностью, занимают в ареалах лесные участки.

Колонии европейского крота встречаются на лесных опушках и лугах, жгучая крапива растет по канавам, огородам, около дорог.

Особи любого вида живут не поодиночке, а группами; между особями в таких группах на протяжении длительного времени сформировались слож­ные взаимоотношения. Совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида, называ­ют популяцией. Это элементарная структура вида, в форме которой он су­ществует.

Что же объединяет особей в одну популяцию? Главный объединяющий фактор - это свободное скрещивание особей друг с другом. Особи одной популяции обладают большим сходством во всех свойствах и признаках по сравнению с особями даже соседней популяции того же вида. Возможности встречи особей разного пола и их скрещивание внутри популяции значи­тельно выше, чем между особями соседних популяций.

Смешиванию популяций препятствуют различные барьеры:

географиче­ские - горы, реки, моря, климат, почва;

биологические - у животных, на­пример, некоторые различия в строении полового аппарата, сроках спари­вания и гнездования, инстинкте сооружения нор и гнезд, поведении в пери­од спаривания; у растений - в период цветения и опыления, в скорости прорастания пыльцы, в отношениях с насекомыми-опылителями.

Все ска­занное о популяциях относится главным образом к двуполым животным и к растениям с перекрестным опылением.

Различия между популяциями одного вида хорошо видны на следующем примере. Широко распространенный вид окунь обыкновенный в крупных озерах образует две популяции. Одна популяция живет в прибрежной зоне, особи питаются мелкими животными, растут медленно. Другая популяция обитает на большой глубине, особи пытаются рыбой и их икрой, растут бы­стро.

В популяции постоянно возникают наследственные изменения. В резуль­тате скрещивания они распространяются в популяции и насыщают ее, она становится неоднородной. В популяции действует борьба за существова­ние, а также естественный отбор, благодаря которым выживают и остав­ляют потомство лишь особи с полезными в данных условиях изменениями. Таким образом, популяция представляет собой единую эволюцию.

1.2.3 Дарвин о видообразовании.  Микроэволюция

Возникновение новых видов Дарвин представлял, как длительный про­цесс накопления полезных изменений, увеличивающихся из поколения в поколение. Мелкие индивидуальные изменения учений принимал за первые шаги видообразования. Их накопление через много поколений приводит к образованию разновидностей, которые он рассматривал как ступени на путь образования нового вида. Переход от одной ступени к другой проис­ходит в результате накапливающего действия естественного отбора. Разно­видность, по мнению Дарвина, - это зарождающийся вид, а вид - резко вы­раженная разновидность.

В процессе эволюции из одного родоначального вида может возникнуть несколько новых. Такой процесс Дарвин называл дивергенцией или расхо­ждением признаков. Под этим термином он понимал возникновение разно­образных существ в потомстве от одного предка.

Из измененных форм вы­живают и дают потомство только наиболее уклонившиеся разновидности, каждая из которых вновь дает веер изменившихся форм, и опять выживают наиболее уклонившиеся и лучше приспособленные. Так, шаг за шагом воз­никают все большие различия между крайними формами, перерастающими, наконец, в различия между видами, семействами и так далее.

В природе не всегда сохранялись лишь наиболее расходящиеся, крайние формы, средние так же могли выжить и дать потомство. Из крайних форм иногда развиваются одна, но может развиваться и более. Если условия сре­ды не изменяются или мало изменяются в течение длительного времени, то вид остается почти неизмененным по сравнению с родоначальным.

С тридцатых годов текущего столетия внимание ученых привлекает по­пуляция как форма существования вида. Новые исследования проливают свет на самые начальные этапы эволюционного процесса, которые проте­кают внутри вида и приводят к образованию новых внутривидовых группи­ровок - популяций и подвидов. Этот процесс называют микроэволюцией. Она доступна непосредственному наблюдению и изучению, так как проис­ходит в исторически короткое время.

Выделяют два способа видообразования: географическое, или аллопати­ческое, и экономическое, или симпатическое.

Географическим видообразованием называют процесс формирования и обособления географических рас, когда популяции, дающие им начало, разделены механическими преградами для скрещивания. Этот процесс идет очень медленно.

Географическое видообразование связанно с расширением ареала исходного вида или с расчленением ареала на изолированные части физическими преградами (горы, реки, изменения климата). При расшире­нии ареала вида его популяции встречаются с новыми почвенно-климатическими условиями, а также с новыми сообществами животных, растений и микроорганизмов. В популяции постоянно возникают наследственные изменения, происходит борьба за существование, действует естест­венный отбор. Все это со временем приводит к изменению генного состава популяций. В дальнейшем эволюция популяции может привести к возник­новению нового вида.

Например, лиственница сибирская далеко продвинулась на восток; ее по­пуляции заселили территорию от Урала до Байкала, и оказалась в различ­ных условиях. У особей популяции постоянно возникали мутации, в ре­зультате скрещивания появлялись новые комбинации генов; благодаря этим процессам популяция становилась неоднородной. В процессе борьбы за существование и в результате действия естественного отбора выживали и оставляли потомство особи с полезными в конкурентных условиях обита­ния изменениями. Действия этих факторов на протяжении длительного времени способствовало появлению более резких различий между популя­циями и в конечном итоге возникновению биологической изоляции - не­скрещиваемости особей разных популяций одного вида.

В результате в бо­лее суровых условиях под действием движущих сил эволюции сформиро­вался новый вид - лиственница даурская.

В условиях Крайнего Севера подобным образом образовался особый вид мака с небольшими, сильно опущенными листьями, быстрым развитием коротких цветоносов и ранним цветением. Еще пример: у лесного ландыша сначала был сплошной ареал, но с оледенением он распался на изолирован­ные части; на этих территориях сформировались самостоятельные популя­ции, признаваемые некоторыми учеными за молодые виды.

Повсеместно распространенный в Европе прострел занимает непрерыв­ный ареал с запада на восток. У западной формы листья тонко рассечены и разбросаны, цветы поникшие, благодаря чему при обилии дождей на западе вода разбрызгивается и не застаивается, а пыльца не смывается. Восточная форма в засушливых условиях характерна боле грубо расчлененными, стоячими листьями и стоячими цветками, по которым вода стекает к кор­ням. Опытами доказано, что листья восточной формы испаряют воду зна­чительно меньше, чем листья западной. Все эти отличия прострела на запа­де Европы от прострела на востоке носят приспособительный характер. Между западной и восточной формами прострела существует непрерывный ряд переходных форм.

В средней полосе нашей страны произрастает белее двадцати видов лю­тика. Все они произошли от одного вида. Потомки его заселили различные места обитания - степи, леса, пола - и благодаря изоляции обособились друг от друга сначала в подвиды, потом в виды.

Вид синица большая представляет сложный комплекс популяций и под­видов, находящихся на разных ступенях изоляции. Ареалы трех подвидов синицы большой - евроазиатского, южно-азиатского и восточноазиатского - образуют кольцо вокруг Центрально-Азиатского нагорья - кольцевой ареал. Подвиды занимают хорошо очерченные ареалы, но в зонах контакта южно-азиатские синицы скрещиваются с двумя другими подвидами. Вос­точно-азиатские и евроазиатские, обитая совместно в долинах верхнего Амура не скрещиваются. Обособление ареалов синиц и образование их подвидов связано с наступлением ледника.

В озере Байкал живут многие виды и роды плоских ресничных червей, ракообразных и рыб, больше нигде не встречающихся, так как озеро отде­лено от других водных бассейнов горными хребтами уже около двадцати миллионов лет.

Экологическое видообразование происходит в тех случаях, когда попу­ляции одного вида остаются в пределах своего ареала, но условия обитания у них оказываются различными. Под влиянием движущих сил эволюции изменяется их генный состав. Через множество поколений эти изменения могут зайти так далеко, что особи разных популяций одного вида не будут скрещиваться между собой, возникает биологическая изоляция, что харак­терно, как правило, для разных видов. Экологическое видообразование на­блюдается в пределах ареала материнского вида. Например, один вид тра­десканции сформировался на солнечных скалистых вершинах, а другой - в тенистых лесах. В пойме нижней Волги образовались виды житняка, кост­ра, щетинника (мышея), которые дают семена до разлива реки или после него. Этим они обособлены от исходных видов, растущих на незаливаемых местах и осеменяющихся по преимуществу во время разлива.

В связи с разным количеством укусов и сроками их у полупаразитирую­щего растения погремка большого (семейство норичниковых) образовались новые подвиды. Сначала образовался подвид погремок большой летний, за­тем он разбился на два подвида - погремок большой весенний раннеспелый и погремок большой летний позднеспелый. Естественным отбором, связан­ным с хозяйственной деятельностью человека, созданы подвиды, изолиро­ванные по срокам цветения. Некоторые ученые считают их видами.

Симпатически происходит видообразование у некоторых насекомо-опыляемых растений, на основе специализации насекомых-опылителей цветка какой-либо группы внутри данного вида. Избирательная специализация на­секомых-опылителей приводит к половой изоляции данной группы расте­ний от находящихся рядом растений, давших начало этой изменившейся группе. Образование симпатических групп возможно и на основе случайно отдаленной гибридизации, если получающиеся гибриды оказываются пло­довитыми, то, как правило, они не скрещиваются с родительскими формами (например, из-за изменения числа хромосом). Примером такого рода видо­образования может служить рябинокизильник, являющийся гибридом ря­бины и кизильником.

Пять видов синиц образовались в связи с пищевой специализацией: си­ница большая питается крупными насекомыми в садах, парках; лазоревка добывает мелких насекомых в щелях коры, в почках; хохлатая синица питается семенами хвойных деревьев; гаичка и московка питаются преимущест­венно насекомыми в лесах разных типов.

Популяции севанской форели различаются по срокам нереста, местам и глубине нерестилищ (озеро, река).

Видообразование продолжается и в настоящее время. Вид черный дрозд в настоящее время распадается на две группы, еще не различимые внешне. Одна из них обитает в глухих лесах, другая держится близ жилья человека. Это можно считать началом образования двух подвидов. Популяции и под­виды иногда не различимы.

На разных этапах микроэволюции один способ сменяет другой или они действуют совместно. Географическая изоляция может в дальнейшем при­совокупить действия экологической, поэтому трудно установить границы каждого способа видообразования.

Образованием нового вида завершается микроэволюция.

Опорные точки:

1)       Достижения в области палеонтологии внесли существенный вклад в развитие эволюционных идей.

2)       Основой существования вида как генетической единицы живой природы является его репродуктивная изоляция. Генотипы случайно сохранившихся особей определяют генофонд новой популяции в период ее расцвета.

3)       Биологическое строение группы организмов характеризуется: численностью особей, широтой ареала обитания и количеством входящих в нее систематических групп более низкого ранга.

Основные положения:

1)       Под эволюцией живого мира понимают закономерный процесс исторического развития живой природы с момента самого возникновения жизни на нашей планете до настоящего времени.

2)       На протяжении XVI-XVII вв. велась работа по описанию животных и растений, их систематизации. Большой вклад в создание системы природы внес выдающийся шведский естествоиспытатель К. Линней.

3)       В основу эволюционной теории Ламарка положено представление о развитии, постепенном и медленном, от простого к сложному, и о роли внешней среды в преобразовании организмов.

4)       Дарвин выделил три основные формы борьбы за существование: межвидовую, внутривидовую и борьбу с неблагоприятными условиями среды.

5)       Видом называется совокупность особей, сходный по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство. Все особи одного вида имеют одинаковый кариотип, сходное поведение и занимают определенный ареал.

6)       Популяция – это совокупность особей данного вида, занимающих определенный участок территории внутри ареала вида, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других популяций.

Вопросы для повторения:

1)       Изложите основные положения эволюционной теории Ламарка.

2)       Охарактеризуйте естественнонаучные предпосылки формирования эволюционной теории Ч. Дарвина.

3)       Что такое Микроэволюция? Макроэволюция?

Проблемные области:

1)       Почему естественный отбор называют движущей силой эволюции?

2)       Каковы генетические механизмы, лежащие в основе видообразования?

РАЗДЕЛ 2. УЧЕНИЕ О КЛЕТКЕ.ОРГАНИЗМ. РАЗМНОЖЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ОРГАНИЗМОВ

Тема 2.1 Строение и функции клетки. Химическая организация клетки.

2.1.1 Открытие клетки

Цитология - наука о клетке. Наука о клетке называется цитологией (греч. «цито» - 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. Клеточная теория. 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. Эти положения явились важнейшими доказательствами единства происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Т. Шванн внес в науку правильное понимание клетки как самостоятельной единицы жизни, наименьшей единицы живого: вне клетки нет жизни.

Изучение химической организации клетки привело к выводу, что именно химические процессы лежат в основе ее жизни, что клетки всех организмов сходны по химическому составу, у них однотипно протекают основные процессы обмена веществ. Данные о сходстве химического состава клеток еще раз подтвердили единство всего органического мира.

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. Исследования клетки имеют большое значение для разгадки заболеваний. Именно в клетках начинают развиваться патологические изменения, приводящие к возникновению заболеваний.

2.1.2 Строение и функции органоидов клетки

Клетка любого организма, представляет собой целостную живую систему. Она состоит из трех неразрывно связанных между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра (рисунок 1). Оболочка клетки осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах).

Рисунок 1

Оболочка        клеток

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. 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. Клетки, образующие у многоклеточных животных разнообразные ткани (эпителиальную, мышечную и др.), соединяются друг с другом плазматической мембраной. В местах соединения двух клеток мембрана каждой из них может образовывать складки или выросты, которые придают соединениям особую прочность. Соединение клеток растений обеспечивается путем образования тонких каналов, которые заполнены цитоплазмой и ограничены плазматической мембраной. По таким каналам, проходящим через клеточные оболочки, из одной клетки в другую поступают питательные вещества, ионы, углеводы и другие соединения. На поверхности многих клеток животных, например, различных эпителиев, находятся очень мелкие тонкие выросты цитоплазмы, покрытые плазматической мембраной, - микроворсинки. Наибольшее количество микроворсинок находится на поверхности клеток кишечника, где происходит интенсивное переваривание и всасывание переваренной пищи.

Фагоцитоз. Крупные молекулы органических веществ, например, белков и полисахаридов, частицы пищи, бактерии поступают в клетку путем фагоцита (гре^и. "фагео" - пожирать). В фагоците непосредственное участие принимает плазматическая мембрана. В том месте, где поверхность клетки соприкасается с частицей какого-либо плотного вещества, мембрана прогибается, образует углубление и окружает частицу, которая в "мембранной упаковке" погружается внутрь клетки. Образуется пищеварительная вакуоль, и в ней перевариваются поступившие в клетку органические вещества.

Цитоплазма. Отграниченная от внешней среды плазматической мембраной, цитоплазма представляет собой внутреннюю полужидкую среду клеток. 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. В составе основного вещества цитоплазмы преобладают белки. 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.

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 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. Эндоплазматическая сеть выполняет много разнообразных функций. 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 обнаружены в клетках всех организмов. Это микроскопические тельца округлой формы диаметром 15-20 нм. Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой. В одной клетке содержится много тысяч рибосом, они располагаются либо на мембранах гранулярной эндоплазматической сети, либо свободно лежат в цитоплазме. В состав рибосом входят белки и РНК. Функция рибосом - это синтез белка. Синтез белка - сложный процесс, который осуществляется не одной рибосомой, а целой группой, включающей до нескольких десятков объединенных рибосом. Такую группу рибосом называют полисомой. Синтезированные белки сначала накапливаются в каналах и полостях эндоплазматической сети, а затем транспортируются к органоидам и участкам клетки, где они потребляются. Эндоплазматическая сеть и рибосомы, расположенные на ее мембранах, представляют собой единый аппарат биосинтеза и транспортировки белков.

Митохондрии. В цитоплазме большинства клеток животных и растений содержатся мелкие тельца (0,2-7 мкм) - митохондрии (греч. «митос» - нить, «хондрион» - зерно, гранула). Митохондрии хорошо видны в световой микроскоп, с помощью которого можно рассмотреть их форму, расположение, сосчитать количество.

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. 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. Новые митохондрии образуются делением уже существующих в клетке митохондрий.

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.

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. У высших растений в одной клетке обычно бывает несколько десятков хлоропластов. Зеленый цвет хлоропластов зависит от содержания в них пигмента хлорофилла. Хлоропласт - основной органоид клеток растений, в котором происходит фотосинтез, т. е. образование органических веществ (углеводов) из неорганических (СО₂ и Н₂О) при использовании энергии солнечного света. По строению хлоропласты сходны с митохондриями. 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. В хлоропластах синтезируется и АТФ. Между внутренними мембранами хлоропласта содержатся ДНК, РНК и рибосомы. Следовательно, в хлоропластах, так же, как и в митохондриях, происходит синтез белка, необходимого для деятельности этих органоидов. Хлоропласты размножаются делением.

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. 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 озеленении клубней картофеля.

Аппарат Гольджи. Во многих клетках животных, например, в нервных, он имеет форму сложной сети, расположенной вокруг ядра. В клетках растений и простейших аппарат Гольджи представлен отдельными тельцами серповидной или палочковидной формы. Строение этого органоида сходно в клетках растительных и животных организмов, несмотря на разнообразие его формы. В состав аппарата Гольджи входят: полости, ограниченные мембранами и расположенные группами (по 5-10); крупные и мелкие пузырьки, расположенные на концах полостей.

Все эти элементы составляют единый комплекс. Аппарат Гольджи выполняет много важных функций. По каналам эндоплазматической сети к нему транспортируются продукты синтетической деятельности клетки - белки, углеводы и жиры. Все эти вещества сначала накапливаются, а затем в виде крупных и мелких пузырьков поступают в цитоплазму и либо используются в самой клетке в процессе ее жизнедеятельности, либо выводятся из нее и используются в организме. Например, в клетках поджелудочной железы млекопитающих синтезируются пищеварительные ферменты, которые накапливаются в полостях органоида. Затем образуются пузырьки, наполненные ферментами. Они выводятся из клеток в проток поджелудочной железы, откуда перетекают в полость кишечника. Еще одна важная функция этого органоида заключается в том, что на его мембранах происходит синтез жиров и углеводов (полисахаридов), которые используются в клетке и которые входят в состав мембран. Благодаря деятельности аппарата Гольджи происходят обновление и рост плазматической мембраны.

Лизосомы - представляют собой небольшие округлые тельца. От Цитоплазмы каждая лизосома отграничена мембраной. Внутри лизосомы находятся ферменты, расщепляющие белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. К пищевой частице, поступившей в цитоплазму, подходят лизосомы, сливаются с ней, и образуется одна пищеварительная вакуоль, внутри которой находится пищевая частица, окруженная ферментами лизосом.

Вещества, образовавшиеся в результате переваривания пищевой частицы, поступают в цитоплазму и используются клеткой. Обладая способностью к активному перевариванию пищевых веществ, лизосомы участвуют в удалении отмирающих в процессе жизнедеятельности частей клеток, целых клеток и органов. Образование новых лизосом происходит в клетке постоянно. Ферменты, содержащиеся в лизосомах, как и всякие другие белки, синтезируются на рибосомах цитоплазмы. Затем эти ферменты поступают по каналам эндоплазматической сети к аппарату Гольджи, в полостях которого формируются лизосомы. В таком виде лизосомы поступают в цитоплазму.

Клеточный центр. В клетках животных вблизи ядра находится органоид, который называют клеточным центром. Основную часть клеточного центра составляют два маленьких тельца - центриоли, расположенные в небольшом участке уплотненной цитоплазмы. Каждая центриоль имеет форму цилиндра длиной до 1 мкм. Центриоли играют важную роль при делении клетки; они участвуют в образовании веретена деления.

Клеточные включения. К клеточным включениям относятся углеводы, жиры и белки. Все эти вещества накапливаются в цитоплазме клетки в виде капель и зерен различной величины и формы. Они периодически синтезируются в клетке и используются в процессе обмена веществ.

Ядро. Каждая клетка одноклеточных и многоклеточных животных, а также растений содержит ядро. Форма и размеры ядра зависят от формы и размера клеток. 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.

Ядерный сок - полужидкое вещество, которое находится под ядерной оболочкой и представляет внутреннюю среду ядра.

2.1.3 Вода и соли, их значение для организма

Вода в физиологических процессах организма играет большую роль. Она составляет 65-70% массы тела (40-50 л). Общий баланс воды в организме определяется, с одной стороны, поступлением воды с пищей (2-3 л) и образованием эндогенной (внутренней) воды (200-300 мл), с другой - выделением ее через почки (600-1200 мл) и с калом (50-200 мл).

Потребность человека в воде в обычных условиях составляет 2,5 л. В высокогорных условиях водный обмен резко изменяется. Значительно увеличивается отдача воды через кожу, легкие, наблюдается "высушивание" организма на больших высотах, уменьшается выделение мочи. Водный обмен тесно связан с минеральным, особенно с обменом натрия хлорида и калия хлорида. Поддержание водно-солевого гомеостаза (равновесия) сказывается и на деятельности других функциональных систем организма - нервной, сердечно-сосудистой, дыхательной и других. Кора большого мозга, содержащая наибольшее количество воды, сильнее других страдает от ее недостатка. При этом к гипоксии присоединяется также водно-питьевая недостаточность.

В поддержании водно-солевого равновесия выделяют три звена: поступление воды и солей в организм, перераспределение их между внутриклеточными и внеклеточными системами, выделение во внешнюю среду. Ведущую роль в поддержании гомеостаза играют ионы натрия, поэтому при восхождениях крайне необходимо брать с собой соль; организм должен ежедневно получать до 15-20 г соли.

Недостаток калия ведет к мышечной слабости, расстройству деятельности сердечно-сосудистой системы, снижению умственной и психической деятельности.

Структура и размеры жидкостных секторов организма, то есть пространств, заполненных жидкостью и разделенных клеточными мембранами, к настоящему времени достаточно хорошо изучены. Общий объем жидкостей тела, составляющий у млекопитающих примерно 60% массы тела, распределен между двумя большими секторами: внутриклеточным (40% массы тела) и внеклеточным (20% массы тела). Внеклеточный сектор включает объем жидкости, находящейся в интерстициальном (межклеточном) пространстве, и жидкости, циркулирующей в сосудистом русле. Небольшой объем составляет и так называемая трансцеллюлярная жидкость, находящаяся в региональных полостях (цереброспинальная, внутриглазная, внутрисуставная, плевральная и т.д.). Внеклеточная и внутриклеточная жидкости значительно отличаются по составу и концентрации отдельных компонентов, но общая суммарная концентрация осмотически активных веществ примерно одинакова. Перемещение воды из одного сектора в другой происходит уже при небольших отклонениях общей осмотической концентрации. Поскольку большинство растворенных субстанций и молекулы воды довольно легко проходят через эпителий капилляров, происходит быстрое перемешивание всех компонентов (кроме белка) между плазмой крови и интерстициальной жидкостью. Многие факторы, такие, как прием, потеря или ограничение потребления воды, усиленное потребление соли или, наоборот, ее дефицит, смещение интенсивности метаболизма и т.д., способны изменять объем и состав жидкостей тела. Отклонение этих параметров от некоего нормального уровня включает механизмы, корригирующие нарушения водно-солевого гомеостаза.

2.1.4 Макроэлементы

К макроэлементам относятся К, Na, Ca, CI. Например, при весе человека 70 кг, в нём содержится (в граммах): кальция -1700, калия - 250, натрия- 70.

Кальций

Большое содержание кальция в организме человека объясняется тем, что он в значительном количестве содержится в костях в виде гидроксофосфата кальция – Са₁₀(РО4)₆(ОН)₂ и его суточное потребление для взрослого человека составляет 800-1200мг.

Концентрация ионов кальция в плазме крови поддерживается очень точно на уровне 9-11мг% и у здорового человека редко колеблется больше чем на 0,5мг% выше или нормального уровня, являясь одним из наиболее точно регулируемых факторов внутренней среды. Узкие границы, в пределах которых колеблется содержание кальция в крови, обусловлены взаимодействием двух гормонов - парагормона и тирокальцитонина. Падение уровня кальция в крови приводит к усилению внутренней секреции околощитовидных желез, что сопровождается увеличением поступления кальция в кровь из его костных депо. Наоборот, повышение содержания этого электролита в крови угнетает выделение парагормона и усиливает образование тирокальцитонина из парафолликулярных клеток щитовидной железы, в результате чего снижается количество кальция в крови. У человека при недостаточной внутрисекреторной функции околощитовидных желез развивается гипопаратериоз с падением уровня кальция в крови. Это вызывает резкое повышение возбудимости центральной нервной системы, что сопровождается приступами судорог и может привести к смерти. Гиперфункция околощитовидных желез вызывает увеличение содержания кальция в крови и уменьшение неорганического фосфата, что сопровождается разрушением костной ткани (остеопороз), слабостью в мышцах и болями в конечностях.

Натрий и калий

Жизненно необходимые элементы натрий и калий функционируют в паре. Надёжно установлено что скорость диффузии ионов Na и К через мембрану в покое мала, разность их концентрации вне клетки и внутри должна была в конечном итоге выровняться, если бы в клетке не существовало специального механизма, который обеспечивает активное выведение («выкачивание») из протоплазмы проникающих в неё ионов натрия и введение («нагнетание») ионов калия. Этот механизм получил название натрий - калиевого насоса.

Для того чтобы сохранялась ионная асимметрия, натрий - калиевый насос должен выкачивать против градиента концентрации из клетки ионы натрия и нагнетать в неё ионы калия и, следовательно, совершать определённую работу.

Непосредственным источником энергии для работы насоса является расщепление богатых энергией фосфорных соединений - АТФ, которое происходит под влиянием фермента - аденозинтрифосфатазы, локали-зованной в мембране и активируемой ионами натрия и калия. Торможение активности этого фермента, вызываемое некоторыми веществами и приводит к нарушению работы насоса. Интересно, что по мере старения организма градиент концентрации ионов калия и натрия на границе клеток падает, а при наступлении смерти выравнивается.

2.1.5 Микроэлементы

К ним относится отмеченный выше ряд 22 химических элементов, обязательно присутствующих в организме человека. Заметим, что большинство из них металлы, а из металлов основным является железо.

Железо

Несмотря на то, что содержание железа в человеке массой 70кг не превышает 5 г и суточное потребление 10 – 15 мг, оно играет особую роль в жизни деятельности организма

Железо занимает совершенно особое место, так как на него не распространяется действие секреторной системы. Концентрация железа регулируется исключительно его поглощением, а не выделением. В организме взрослого человека около 65% всего железа содержится в гемоглобине и миоглобине, большая часть оставшегося запасается в специальных белках (ферритине и гемосидерине), и только очень небольшая часть находится в различных ферментах и системах транспорта.

Медь

Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тканях. Кроме того, считают, что дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение легких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным понижением меди в организме. Избыточное количество меди в организме неблагоприятно ведет к развитию тяжелых заболеваний. Высокий уровень меди может быть связан с различными явлениями, и обнаружение высоких концентраций меди сыворотки представляет диагностическую ценность только при одновременном рассмотрении с данными других исследований. Анализ концентраций ионов меди необходимо проводить для оценки эффективности лечения, так как уровень меди прямо пропорционален тяжести заболевания. Это положение верно при гепатитах и злокачественных заболеваниях.

Цинк

Большое значение для организма человека имеет цинк, в среднем в организме находится около 3 г, а суточное потребление 15 мг. Дефицит цинка у человека выражается в потере аппетита, нарушении в скелете и оволосении, повреждении кожи, замедлении полового созревания. В нескольких случаях дефицит цинка привёл у людей к большим нарушениям в сенсорном аппарате, выражавшимся в извращение вкуса и запаха.

У этих пациентов симптомы анорексии и нарушение физиологических отравлений могут быть сняты добавками цинка в рацион. Важную роль цинк играет в заживлении ран. При дефиците цинка этот процесс идёт медленно вследствие снижения синтеза белка и коллагена. Из этого следует, что для улучшения заживления ран в рацион больным с дефицитом элемента следует добавлять цинк.

Кремний

Кремний является также необходимым микроэлементом. Это было подтверждено тщательным изучением питания крыс с использованием различных диет. Крысы заметно прибавили в весе при добавлении метасиликата натрия (Na₂(SiO)₃ ∙ 9Н₂О) в их рацион (50мг на 100 г). Цыплятам и крысам кремний нужен для роста и развитие скелета. Недостаток кремния приводит к нарушению структуры костей и соединительной ткани. Как выяснилось, кремний присутствует в тех участках кости, где происходит активная кальцинация, например, в кости образующих клетках, остеобластах. С возрастом концентрация кремния в клетках падает.

Селен

Недостаток селена вызывает гибель клеток мышц и приводит к мускульной, в частности сердечной, недостаточности. Биохимическое изучение этих состояний привело к открытию фермента глутатионпероксидазе, разрушающей пероксиды.

Недостаток селена ведет к уменьшению концентрации этого фермента, что в свою очередь вызывает окисление липидов. Способность селена предохранять от отравления ртутью, хорошо известна. Гораздо менее известен тот факт, что существует корреляция между высоким содержанием селена в рационе и низкой смертностью от рака. Селен входит в рацион человека в количестве 55 – 110 мг в год, а концентрация селена в крови составляет 0,09 - 0,29 мкг/см. При приёме внутрь селен концентрируется в печени и почках. Ещё один пример защитного действия селена от интоксикации лёгкими металлами является его способность предохранять от отравления соединениями кадмия. Оказалось, что, как и в случае с ртутью, селен вынуждает эти токсические ионы связываться с активными ионными центрами, с теми, на которое их токсическое действие не влияет.

Мышьяк

Несмотря на хорошо известные токсические действия мышьяка и его соединений, имеются достоверные данные согласно которым недостаток мышьяка приводит к понижению рождаемости и угнетению роста, а добавление в пищу арсенита натрия привело к увеличению скорости роста у человека.

Хлор и бром                                                     

Анионы галогенов отличаются от всех тем, что они представляют собой простые, а не оксо - анионы. Хлор распространён чрезвычайно широко, он способен проходить сквозь мембрану и играет важную роль в поддержание осмотического равновесия. Хлор присутствует в виде соляной кислоты в желудочном соке. Концентрация соляной кислоты в желудочном соке человека равна 0,4-0,5 %.

По поводу роли брома как микроэлемента существуют некоторые сомнения, хотя достоверно известно его седативное действие.

Фтор

Для нормального роста фтор совершенно необходим, и его недостаток приводит к анемии. Большое внимание было уделено метаболизму фтора в связи с проблемой кариеса зубов, так как фтор предохраняет зубы от кариеса.

Фтор используют для предотвращения разрушений зубной эмали. Можно вводить фториды в зубную пасту или же непосредственно обрабатывать ими зубы.

Неорганические соединения, составляющие только 6% от общего веса человека, являются незаменимыми веществами, обеспечивающие гомеостаз организма. Все химические элементы делятся на макро-, микро- и ультрамикро элементы. Любое изменение содержания химических веществ как в сторону увеличения, так и уменьшению ведет к нарушению обмена веществ.

Среди многочисленного ряда регуляций, свойственных высшим животным и человеку, наиболее точно работают те, которые обеспечивают постоянство минерального состава плазмы крови. Уже у прототипов животного мира на самых ранних этапах эволюции произошла адаптация клеток и всех сложных внутриклеточных биохимических процессов, обеспечивающих жизнь, к определенной пропорции ионов во внешней среде. Биологическая эволюция шла под непрерывным воздействием изменений неживой природы. Для одних существ она заключалась в перестройке клеточных процессов, следующих за изменением солевого состава водной среды. У других же, давших прогрессивно развивающуюся ветвь животного мира, появились специальные физиологические механизмы, позволяющие сохранять постоянство состава межклеточной жидкости и плазмы крови (так называемой внутренней среды организма) и таким образом обеспечивать в изменяющейся внешней среде оптимальные условия для функционирования всех клеток тела, прежде всего клеток мозга.

Поскольку клетка отделена от внеклеточной жидкости мембраной, которую пронизывают белковые структуры — поры, легко проницаемые для воды, но не для большинства других компонентов, то при наличии разницы концентраций веществ вода переходит в сектор с более высокой концентрацией раствора по законам осмоса. Любое изменение объема клетки (разбухание при поступлении воды или сморщивание при ее потере) будет сопровождаться нарушением биохимических внутриклеточных процессов.

2.1.6 Строение белка и его функции

Нормальная деятельность организма возможна при непрерывном поступлении пищи. Входящие в состав пищи жиры, белки, углеводы, минеральные соли, вода и витамины необходимы для жизненных процессов организма.

Питательные вещества, являются источником энергии, покрывающей расходы организма, и строительным материалом, который используется в процессе роста организма и воспроизведения новых клеток, замещающих отмирающие. Но питательные вещества в том виде, в каком они употребляются в пищу, не могут всасываться и быть использованными организмом. Только вода, минеральные соли, и витамины всасываются и усваиваются в том виде, в каком они поступают.

Питательными веществами называются белки, жиры и углеводы. Эти вещества являются необходимыми составными частями пищи. В пищеварительном тракте белки, жиры и углеводы подвергаются как физическим воздействиям (измельчаются и перетираются), так и химическим изменениям, которые происходят под влиянием особых веществ - ферментов, содержащихся в соках пищеварительных желёз. Под влиянием пищеварительных соков питательные вещества расщепляются на более простые, которые всасываются и усваиваются организмом.

"Во всех растениях и животных присутствует некое вещество, которое без сомнения является, наиболее важным из всех известных веществ живой природы и без которого жизнь была бы на нашей планете невозможна. Это вещество я наименовал - протеин".

Так писал еще в 1838 году голландский биохимик Жерар Мюльдер, который впервые открыл существование в природе белковых тел и сформулировал свою теорию протеина. Слово "протеин" (белок) происходит от греческого слова "протейос", что означает "занимающий первое место". И в самом деле, все живое на земле содержит белки. Они составляют около 50 % сухого веса тела всех организмов. У вирусов содержание белков колеблется в пределах от 45 до 95 %.

Белки являются одними из четырех основных органических веществ живой материи (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры), но по своему значению и биологическим функциям они занимают в ней особое место. Около 30 % всех белков человеческого тела находится в мышцах, около 20 % - в костях и сухожилиях и около 10 % - в коже. Но наиболее важными белками всех организмов являются ферменты, которые, хотя и присутствуют в их теле и в каждой клетке тела в малом количестве, тем не менее управляют рядом существенно важных для жизни химических реакций. Все процессы, происходящие в организме: переваривание пищи, окислительные реакции, активность желез внутренней секреции, мышечная деятельность и работа мозга регулируется ферментами. Разнообразие ферментов в теле организмов огромно. Даже в маленькой бактерии их насчитываются многие сотни.

Белки, или, как их иначе называют, протеины, имеют очень сложное строение и являются наиболее сложными из питательных веществ. Белки - обязательная составная часть всех живых клеток. В состав белков входят: углерод, водород, кислород, азот, сера и иногда фосфор. Наиболее характерно для белка наличие в его молекуле азота. Другие питательные вещества азота не содержат. Поэтому белок называют азотосодержащим веществом.

Основные азотосодержащие вещества, из которых состоят белки, - это аминокислоты. Количество аминокислот невелико - их известно только 28. Все громадное разнообразие содержащихся в природе белков представляет собой различное сочетание известных аминокислот. От их сочетания зависят свойства и качества белков.

Белки играют исключительно важную роль в живой природе. Жизнь немыслима без различных по строению и функциям белков. Белки - это биополимеры сложного строения, макромолекулы (протеины) которых, состоят из остатков аминокислот, соединенных между собой амидной (пептидной) связью.

 Функции белков в организме

Функции белков в организме разнообразны. Они в значительной мере обусловлены сложностью и разнообразием форм и состава самих белков.

Белки - незаменимый строительный материал. Одной из важнейших функций белковых молекул является пластическая. Все клеточные мембраны содержат белок, роль которого здесь разнообразна. Количество белка в мембранах составляет более половины массы.

Многие белки обладают сократительной функцией. Это прежде всего белки актин и миозин, входящие в мышечные волокна высших организмов. Мышечные волокна - миофибриллы - представляют собой длинные тонкие нити, состоящие из параллельных более тонких мышечных нитей, окруженных внутриклеточной жидкостью. В ней растворены аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), необходимая для осуществления сокращения, гликоген - питательное вещество, неорганические соли и многие другие вещества, в частности кальций.

Велика роль белков в транспорте веществ в организме. Имея функциональные различные группы и сложное строение макромолекулы, белки связывают и переносят с током крови многие соединения. Это прежде всего гемоглобин, переносящий кислород из легких к клеткам. В мышцах эту функцию берет на себя еще один транспортный белок - миоглобин.

Еще одна функция белка - запасная. К запасным белкам относят ферритин - железо, овальбумин - белок яйца, казеин - белок молока, зеин - белок семян кукурузы.

Регуляторную функцию выполняют белки-гормоны.

Гормоны - биологически активные вещества, которые оказывают влияние на обмен веществ. Многие гормоны являются белками, полипептидами или отдельными аминокислотами. Одним из наиболее известных белков-гормонов является инсулин. Этот простой белок состоит только из аминокислот. Функциональная роль инсулина многопланова. Он снижает содержание сахара в крови, способствует синтезу гликогена в печени и мышцах, увеличивает образование жиров из углеводов, влияет на обмен фосфора, обогащает клетки калием. Регуляторной функцией обладают белковые гормоны гипофиза - железы внутренней секреции, связанной с одним из отделов головного мозга. Он выделяет гормон роста, при отсутствии которого развивается карликовость. Этот гормон представляет собой белок с молекулярной массой от 27000 до 46000.

Одним из важных и интересных в химическом отношении гормонов является вазопрессин. Он подавляет мочеобразование и повышает кровяное давление. Вазопрессин - это октапептид циклического строения с боковой цепью:

Регуляторную функцию выполняют и белки, содержащиеся в щитовидной железе - тиреоглобулины, молекулярная масса которых около 600000. Эти белки содержат в своем составе йод. При недоразвитии железы нарушается обмен веществ.

Другая функция белков - защитная. На ее основе создана отрасль науки, названная иммунологией.

В последнее время в отдельную группу выделены белки с рецепторной функцией. Есть рецепторы звуковые, вкусовые, световые и др. рецепторы.

Следует упомянуть и о существовании белковых веществ, тормозящих действие ферментов. Такие белки обладают ингибиторными функциями. При взаимодействии с этими белками фермент образует комплекс и теряет свою активность полностью или частично. Многие белки - ингибиторы ферментов -выделены в чистом виде и хорошо изучены. Их молекулярные массы колеблются в широких пределах; часто они относятся к сложным белкам -гликопротеидам, вторым компонентом которых является углевод.

Если белки классифицировать только по их функциям, то такую систематизацию нельзя было бы считать завершенной, так как новые исследования дают много фактов, позволяющих выделять новые группы белков с новыми функциями. Среди них уникальные вещества - нейропептиды (ответственные за жизненно важные процессы: сна, памяти, боли, чувства страха, тревоги).

Биологические катализаторы

В основе всех жизненных процессов лежат тысячи химических реакций. Они идут в организме без применения высокой температуры и давления, т. е. в мягких условиях. Вещества, которые окисляются в клетках человека и животных, сгорают быстро и эффективно, обогащая организм энергией и строительным материалом. Но те же вещества могут годами храниться как в консервированном (изолированном от воздуха) виде, так и на воздухе в присутствие кислорода. Возможность быстрого переваривания продуктов в живом организме осуществляется благодаря присутствию в клетках особых биологических катализаторов - ферментов.

Ферменты - это специфические белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов играющие роль биологических катализаторов. О ферментах люди узнали давно. Еще в начале прошлого века в Петербурге К.С.Кирхгоф выяснил, что проросший ячмень способен превращать полисахарид крахмал в дисахарид мальтозу, а экстракт дрожжей расщеплял свекловичный сахар на моносахариды - глюкозу и фруктозу. Это были первые исследования в ферментологии. Хотя на практике применение ферментативных процессов было известно с незапамятных времен (сбраживание винограда, сыроварение и др.).

2.1.7 Классификация и обмен белков

Белки подразделяются на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды.

При гидролизе протеинов в кислом водном растворе получают только а-аминокислоты. Гидролиз протеидов дает кроме аминокислот и вещества небелковой природы (углеводы, нуклеиновые кислоты и др.); это соединения белковых веществ с небелковыми.

Протеины

Альбумины хорошо растворяются в воде. Встречаются в молоке, яичном белке и крови.

Глобулины в воде не растворяются, но растворимы в разбавленных растворах солей. К глобулинам принадлежат глобулины крови и мышечный белок миозин.

Глутелины растворяются только в разбавленных растворах щелочей. Встречаются в растениях.

Склеропротеины - нерастворимые белки. К склеропротеинам относятся кератины, белок кожи и соединительных тканей коллаген, белок натурального шелка фиброин.

Протеиды построены из протеинов, соединенных с молекулами другого типа (простетическими группами).

Фосфопротеиды содержат молекулы фосфорной кислоты, связанные в виде сложного эфира у гидроксильной группы аминокислоты серина. К ним относится вителлин—белок, содержащийся в яичном желтке, белок молока казеин.

Гликопротеиды содержат остатки углеводов. Они входят в состав хрящей, рогов, слюны.

Хромопротеиды содержат молекулу окрашенного вещества, обычно типа порфина. Самым важным хромопротеидом является гемоглобин - переносчик кислорода, окрашивающий красные кровяные тельца.

Нуклеопротеиды - протеины, связанные с нуклеиновыми кислотами. Они представляют собой очень важные с биологической точки зрения белки - составные части клеточных ядер. Нуклеопротеиды являются важнейшей составной частью вирусов - возбудителей многих болезней.

При соединении двух или нескольких аминокислот образуется более сложное соединение - полипептид. Полипептиды, соединяясь, образуют еще более сложные и крупные частицы и в итоге - сложную молекулу белка.

Обмен белков

После расщепления белков в пищеварительном тракте образовавшиеся аминокислоты всасываются в кровь. В кровь всасывается также незначительное количество полипептидов - соединений, состоящих из нескольких аминокислот.

Из аминокислот клетки нашего тела синтезируют белок, причем белок, который образуется в клетках человеческого организма, отличается от потребленного белка и характерен для человеческого организма.

Образование нового белка в организме человека и животных идет беспрерывно, так как в течении всей жизни взамен отмирающих клеток крови, кожи, слизистой оболочки, кишечника и т. д. создаются новые, молодые клетки. Для того чтобы клетки организма синтезировали белок, необходимо, чтобы белки поступали с пищей в пищеварительный канал, где они подвергаются расщеплению на аминокислоты, и уже из всосавшихся аминокислот будет образован белок.

Если же, минуя пищеварительный тракт, ввести белок непосредственно в кровь, то он не только не может быть использован человеческим организмом, он вызывает ряд серьезных осложнений. На такое введение белка организм отвечает резким повышением температуры и некоторыми другими явлениями. При повторном введении белка через 15-20 дней может наступить даже смерть при параличе дыхания, резком нарушение сердечной деятельности и общих судорогах.

Белки не могут быть заменены какими-либо другими пищевыми веществами, так как синтез белка в организме возможен только из аминокислот.

Для того чтобы в организме мог произойти синтез присущего ему белка, необходимо поступление всех или наиболее важных аминокислот.

Из известных аминокислот не все имеют одинаковую ценность для организма. Среди них есть аминокислоты, которые могут быть заменены другими или синтезированными в организме из других аминокислот; наряду с этим есть и незаменимые аминокислоты, при отсутствии которых или даже одной из них белковый обмен в организме нарушается.

Белки не всегда содержат все аминокислоты: в одних белках содержится большее количество необходимых организму аминокислот, в других - незначительное. Разные белки содержат различные аминокислоты и в разных соотношениях.

Белки, в состав которых входят все необходимые организму аминокислоты, называются полноценными; белки, не содержащие всех необходимых аминокислот, являются неполноценными белками.

Для человека важно поступление полноценных белков, так как из них организм может свободно синтезировать свои специфические белки. Однако полноценный белок может быть заменен двумя или тремя неполноценными белками, которые, дополняя друг друга, дают в сумме все необходимые аминокислоты. Следовательно, для нормальной жизнедеятельности организма необходимо, чтобы в пище содержались полноценные белки или набор неполноценных белков, по аминокислотному содержанию равноценных полноценным белкам.

Поступление полноценных белков с пищей крайне важно для растущего организма, так как в организме ребенка не только происходит восстановление отмирающих клеток, как у взрослых, но и в большом количестве создаются новые клетки.

Обычная смешанная пища содержит разнообразные белки, которые в сумме обеспечивают потребность организма в аминокислотах. Важна не только биологическая ценность поступающих с пищей белков, но и их количество.   При   недостаточном   количестве   белков   нормальный   рост организма приостанавливается или задерживается, так как потребности в белке не покрываются из-за его недостаточного поступления.

К полноценным белкам относятся преимущественно белки животного происхождения, кроме желатины, относящейся к неполноценным белкам. Неполноценные белки - преимущественно растительного происхождения. Однако некоторые растения (картофель, бобовые и др.) содержат полноценные белки. Из животных белков особенно большую ценность для организма представляют белки мяса, яиц, молока и др.

Рисунок 2 – Схема строения ДНК (двойная спираль)

Рисунок 3 – Схема синтеза АТФ в митохондрии

Рисунок 4 – Схема фотосинтеза

Опорные точки:

1)       Белковые молекулы обеспечивают иммунологическую защиту организма от чужеродных веществ.

2)       Углеводы – основной источник энергии для большинства живых организмов.

3)       Фосфолипиды являются основой биологических мембран.

4)       Нуклеиновые кислоты локализованы в клеточном ядре. ДНК обеспечивает передачу наследственной информации из поколения в поколение.

5)       Метаболизм – это два взаимосвязанных процесса: ассимиляция и диссимиляция.

6)       Клетка – наименьшая структурная и функциональная единица, единица размножения и развития всех живых организмов.

Основные положения:

1)       В природе два уровня клеточной организации и 2 группы клеток: прокариотические и эукариотические клетки.

2)       Прокариоты – бактерии и сине-зеленые водоросли, не имеют ядра, наследственная информация представлена одной кольцевой молекулой ДНК.

3)       Эукариоты – ядерные клетки, имеют диплоидный набор хромосом.

4)       В клетке имеются органоиды, способные к самовоспроизведению, клетки размножаются только делением.

Вопросы для повторения:

1)       Соли и вода, свойства и функции.

2)       Денатурация и ренатурация белков.

3)       Углеводы, свойства и функции.

4)       Биологическое значение меноидов.

5)       Процесс метаболизма.

6)       Изложите основные положения клеточной теории.

Проблемные области:

1)       В чем заключается биологический смысл избыточности генетического кода?

2)       Как вы считаете, можно ли повысить эффективность фотосинтеза?

Тема 2.2 Размножение организмов. Индивидуальное развитие организма.

2.2.1 Бесполое размножение

 В бесполом размножении принимает участие только одна родительская особь, которая делится, почку­ется или образует споры. В результате формируются две или больше дочерних особей, сходных по своим наследственным при­знакам с родительской особью.

Бесполое размножение широко распространено у бактерий и сине-зеленых водорослей. У них отсутствует мейоз. Эти прокариотические организмы имеют наиболее простую форму бесполого размножения: их тело делится пополам и образуются две дочер­ние особи, каждая из которых представляет собой целый само­стоятельный организм. Делением на две и больше частей размно­жаются простейшие (амебы, эвглены, инфузории, споровики), одноклеточные зеленые водоросли; их клетки делятся путем ми­тоза.

Почкованием размножаются дрожжевые организмы, гидры, гидроидные и коралловые полипы и ряд других беспозвоночных. При почковании небольшой участок тела родительской особи отделяется, т. е. отпочковывается, растет и превращается в но­вую особь. Ряд видов плоских червей, морские звезды могут размножаться разделением их тела на несколько частей, каждая из которых восстанавливает недостающие органы и превращает­ся в целый организм, идентичный родительской особи.

Большинство растений размножается бесполым путем с по­мощью спор - гаплоидных клеток, покрытых плотной оболочкой и устойчивых к действию неблагоприятных условий внешней среды. Споры образуются преимущественно у наземных расте­ний. Водоросли и некоторые грибы, обитающие в воде, размно­жаются зооспорами, которые имеют жгутики и активно передви­гаются в водной среде. Споры же наземных растений неподвиж­ны и пассивно переносятся ветром, водой, животными.

Среди растений широко распространено вегетативное размно­жение, формы которого очень разнообразны. Многие деревья и кустарники размножаются отводками (виноград, орех, смороди­на, слива и др.), усами (земляника, лютик ползучий), корневыми отпрысками (лиственные и хвойные деревья, многие травы), а так­же порослью (на корнях и пнях деревьев).

Вегетативное размно­жение осуществляется также луковицами (лук, тюльпан и др.), клубнями (картофель), корневищами (многолетние дикорасту­щие травы, ирис, мята и др.). Деревья и кустарники могут раз­множаться черенками.

Вегетативное размножение растений имеет огромное практи­ческое значение и широко применяется в плодоводстве при раз­ведении всех видов плодовых деревьев и ягодных кустарников, в овощеводстве, цветоводстве, полеводстве, лесоводстве.

2.2.2 Половое размножение

В половом размножении растений и животных участвуют две особи: мужская и женская, и у каждой из них в половых органах образуются половые клетки - гаметы. В организме женской особи образуются яйцеклетки (рисунок 5); у мужских особей - сперматозоиды (рисунок 6). Женская и мужская гаметы сливаются, и образуется зигота,  или оплодотворенная яйцеклетка, которая дает начало развитию нового организма.

Рисунок 5 – Строение яйца курицы

Рисунок 6 –Строение сперматозоида млекопитающих

Половое размножение имеет огромное биологическое значе­ние. Его преимущество перед бесполым размножением заключа­ется в том, что оно создает возможность перекомбинации нас­ледственных признаков обоих родителей. Поэтому потомство мо­жет быть более жизнеспособным, чем каждая из родительских осо­бей. Половому размножению принадлежит важнейшая роль в эволюции организма.

Половое размножение животных. Огромное большинство жи­вотных размножается только половым путем. Размеры и форма половых клеток различаются у разных видов беспозвоночных и позвоночных.

Яйцеклетки имеют чаще всего округлую форму, и в их цито­плазме содержится запасное питательное вещество - желток. Яйцеклетки неподвижны.

У большинства позвоночных животных яйцеклетки мелкие. Например, у кролика диаметр яйцеклетки равен 0,2 мм. У рыб, амфибий, рептилий и птиц яйцеклетки крупные и содержат мно­го желтка. Наиболее крупных размеров достигают яйцеклетки птиц. Вспомните строение яйца птиц из курса зоологии. Яйцо птицы имеет, как это видно из рисунка 5, довольно сложное строение.

Мужские половые клетки - сперматозоиды - отличаются от яйцеклеток значительно меньшими размерами и подвижностью. Рассмотрите строение сперматозоида млекопитающих (рисунок 6). Он имеет форму длинной нити, в которой различают головку, шейку, хвостик. В головке располагается ядро, содержащее ДНК. В шейке содержится центриоль. С помощью хвостика спермато­зоид передвигается.

Развитие половых клеток. Сперматозоиды и яйцеклетки раз­виваются у животных в половых железах — семенниках и яични­ках. В половых железах различают три разных участка, или зоны: размножения, роста, созревания половых клеток. Зона размножения располагается в самом начале половой железы. В этой зоне находятся первичные половые клетки, которые раз­множаются путем митоза, и число их увеличивается (рисунок 7).

Рисунок 7 – Схема развития сперматозоидов и яйцеклетки

Дальше первичные половые клетки попадают в зону роста, где они уже не делятся, а растут, достигая тех размеров, которые свойственны половым клеткам каждого вида животных (рисунок 7). После того как процесс роста заканчивается, половые клетки переходят в зону созревания и превращаются в яйцеклетки и сперматозоиды (рисунок 7).

Развитие яйцеклеток и сперматозоидов происходит неодина­ково. На рисунке 7  видно, что в зоне созревания семенника все 4 образовавшиеся после деления клетки одинаковы и все они превращаются в зрелые сперматозоиды. В зоне созревания яич­ника также после деления образуются 4 клетки, но они неодинаковы по размерам: одна клетка большая и три маленькие. Боль­шая клетка превращается в зрелую яйцеклетку, а три маленькие клетки, называемые направительными тельцами, погибают.

2.2.3 Интенсивность размножения организмов

Способность к размножению - одно из основных свойств всего живого. В природе наблюдается тенденция организмов к неограни­ченному размножению. К. А. Тимирязев приводит следующий при­мер, иллюстри-рующий это положение. Одуванчик, по приближен­ным подсчетам, дает сто семян. Из них на следующий год может вырасти сто растений, каждое из которых тоже дает по сто семян. Значит, при беспрепятственном размножении число потомков одно­го одуванчика можно было бы представить геометрической прогрес­сией: первый год - одно растение; второй год - сто; третий - десять тысяч; ... десятый год - десять в восемнадцатой степени растений. Для расселения потомков одного одуванчика, полученного на деся­тый год, понадобится площадь в пятнадцать раз превышающая пло­щадь земного шара, на самом деле этого не происходит. Следова­тельно, не все растения оставляют после себя потомство, часть их погибает. Если подсчитать количество одуванчиков на определен­ной площади на лугу в течение нескольких лет, окажется, что оно мало изменится.

К такому заключению можно прийти, если проанализировать спо­собность к размножению самых различных растений и животных. По подсчетам Дарвина, в одной коробочке мака содержится три ты­сячи семян, а куст мака, выросший из одного семени, дает до 60000 семян. Многие рыбы ежегодно мечут до десяти - ста тысяч икринок, треска и осетр - до шести миллионов. Наряду с этим имеются при­меры относи-тельно малой плодовитости. Так, самка слона приносит потомство в возрасте между тридцати - девяноста годами. За эти ше­стьдесят лет она рожает около шести детенышей.

Однако даже при такой низкой плодовитости потомство одной пары слонов за 750 лет может составить 19 миллионов особей.

Из сказанного следует вывод о том, что в природе происходит силь­ная элиминация (удаление, исключение) организмов. Иными слова­ми, не вес потомки достигают полового созревания и дают потомст­во - часть из них погибает. Несоответствие между числом рождаю­щихся особей и числом особей, доживающих до зрелого состояния, Дарвин положил в основу своего учения о борьбе за существование. Наследственная (неопределенная) изменчивость дает естественному отбору материал для накопления новых особенностей, подобно то­му, как человек накапливает у домашних животных и культурных растений индивидуальные различия и создает новые формы.

Чарльз Дарвин приводит доказательства существования в природе изменчивости и среди них так называемые "сомнительные виды". К ним относятся близкие по систематическому положению формы, в отношении которых трудно сказать виды они или всего лишь подви­ды более трудного вида. Неясность границ между сомнительными видами обусловлено существование переходных форм между ними и соседними видами. Из-за этого различные описания флоры и фау­ны одной и той же местности могут содержать разное количество видов.

Другим доказательством изменчивости видов Дарвин считал тот факт, что виды, имеющие большие ареалы распространения с разно­образными условиями существования, как правило, образуют ряд географических подвидов.

2.2.4 Индивидуальное развитие организма — онтогенез

После оплодотворения начинается индивидуальное развитие животного или растения - онтогенез, который завершается фор­мированием взрослого организма. Рассмотрим онтогенез орга­низма животного.

Развитие зародыша. Оплодотворенная яйцеклетка - зигота – претерпевает ряд быстро следующих друг за другом митотических делений, которые называются дроблением. Дробление и дру­гие ранние стадии развития многоклеточного зародыша, назы­ваемые периодом эмбрионального развития, рассмотрим на при­мере ланцетника (рисунок 8).

Зигота вначале делится в продольном направлении на две одинаковые по величине клетки, называемые бластомерами. За­тем каждый из бластомеров делится также в продольном направ­лении и образуются 4 клетки. Следующее, третье деление проис­ходит в поперечном направлении, и в результате его формируют­ся 8 одинаковых клеток.

В дальнейшем чередуются быстро сле­дующие друг за другом продольные и поперечные деления, кото­рые приводят к образованию 16, 32, 64, 128 и больше клеток (бластомеров).

Рисунок 8 – Ранние стадии развития ланцетника

Яйцо ланцетника, имеющее небольшое количество желтка, подвергается дроблению полностью (рисунок 8). У других живот­ных (птицы, рыбы) яйцо содержит много желтка и дроблению подвергается только диск цитоплазмы с ядром (рисунок 9), а сам жел­ток не дробится.

При дроблении следующие друг за другом деления происхо­дят быстро, бластомеры не растут и их размеры по мере увели­чения числа клеток уменьшаются. В результате дробления обра­зуется шарообразный зародыш с полостью внутри – бластула (рисунок 8). Клетки стенки бластулы располагаются в один слой. Формированием бластулы завершается период дробления и начи­нается следующий период развития, в течение которого продол­жается деление клеток и происходит образование второго, внут­реннего слоя клеток. Зародыш становится двухслойным.

Рисунок 9 – Начальные стадии дробления яйцеклеток лягушки (вверху) и птицы (внизу). Видны последовательные стадии дробления 2, 4 и 8 бластомеров. Яйцеклетка лягушки дробится на бластомеры различной величины. В яйцеклетке птиц дробится только поверхностный участок активной цитоплазмы, в котором расположено ядро.

У многих многоклеточных животных, к числу которых относит­ся и ланцетник, внутренний слой клеток образуется путем впячивания внутрь полости бластулы клеток ее стенки. Эту двух­слойную стадию развития называют гаструлой. Наружный слой клеток гаструлы называют эктодермой, внутренний – энтодермой (рисунок 8). Образовавшаяся путем впячивания и ограничен­ная энтодермой полость представляет собой полость первично­го кишечника, открывающуюся наружу отверстием - первич­ным ртом. Эктодерму и энтодерму называют зародышевыми листками.

Дальнейшее развитие первоначально двухслойной гаструлы связано с образованием третьего зародышевого листка - мезо­дермы, обособлением хорды, формированием кишечника и раз­витием центральной нервной системы. Рассмотрим основные этапы этих процессов.

В конце стадии гаструлы клетки эктодермы, расположенные перед отверстием первичного рта, начинают быстро делиться и образуют нервную пластинку (рисунок 8), которая тянется по всей спинной стороне зародыша. По краю нервной пластинки возни­кают направленные вверх складки, а центральная часть ее опус­кается, образуя нервный желобок. Последний углубляется, верх­ние края его смыкаются, и он превращается в лежащую под эктодермой нервную трубку - зачаток центральной нервной системы. С самого начала развития нервной трубки передний конец ее расширен. Это расширение на следующих этапах пре­вращается в головной мозг. В передней части развивающегося головного мозга, по бокам его, образуются два бокаловидных зачатка глаза. В виде впячиваний эктодермы в передней части зародыша появляются также зачатки органов слуха и обоняния. Кроме нервной системы и связанных с ней органов чувств, экто­дерма дает начало внешним покровам организма.

На спинной стороне прилежащего к нервной трубке участка, ограниченного энтодермой первичного кишечника, в форме двух карманов обособляются зачатки мезодермы (рисунок 8). Они от­деляются от первичного кишечника, и полость их далее превра­щается в полость тела. Между правым и левым зачатками мезо­дермы, непосредственно под нервной трубкой, отделяется тяну­щийся вдоль всего зародыша зачаток хорды (рисунок 8). Он лежит между нервной трубкой и кишечником. После отделения мезо­дермы и хорды остальная энтодерма дает начало кишечнику и связанным с ним органам (рисунок 10).

Во время описанных выше процессов изменяется внешний вид зародыша. Он удлиняется, обособляются головной и туловищный отделы. Кишечник сначала имеет форму прямой трубки. Возни­кают ротовое и анальное отверстия. Из выростов стенки кишеч­ной трубки развиваются желудок, печень и другие органы пище­варительной системы.

В местах контакта энтодермы с эктодермой по бокам передней части тела прорываются жаберные щели. У ланцетника и рыб они функционируют в течение всей жизни, а у наземных позвоночных зарастают тканью. Легкие в своем развитии тоже связаны с передней кишкой: они развиваются из выроста кишечника.

Мезодерма составляет значительную часть массы развиваю­щегося зародыша. Из нее формируются мускулатура, все хряще­вые и костные элементы скелета, кровеносная система, выдели­тельная система, половые органы. Зародыш животных развивается как единый организм, в кото­ром все клетки, ткани и органы находятся в тесном взаимодей­ствии.
	Рисунок 10 – Развитие зародыша тритона

Постэмбриональное развитие. Постэмбриональный (послезародышевый) период начинается с момента выхода организма из яйцевых оболочек, а при внутриутробном развитии зародыша млекопитающих - с момента рождения. Различают два вида постэмбрионального развития: прямое, когда рождающийся организм сходен со взрослым, и непрямое, когда эмбриональное развитие приводит к образованию личинки, которая отличается от взрослого организма по многим признакам внешнего и внут­реннего строения, по характеру питания, движения и ряду других особенностей.

Прямое развитие возникло в процессе эволюции у ряда бес­позвоночных животных, например, у пиявок, многоножек, пауков. Большинство позвоночных животных, к числу которых относятся пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие, имеют прямое раз­витие.

К животным с непрямым развитием относятся кишечнопо­лостные, плоские и кольчатые черви, ракообразные, насекомые и ряд других беспозвоночных, а из позвоночных - амфибии. Вспомните из курса зоологии непрямое развитие бабочек и тра­вяной лягушки. У этих животных из яйца развиваются личинки, которые ведут самостоятельный образ жизни, самостоятель­но питаются.

Строение их более простое, чем строение взрослого организма: у них развиваются особые личиночные органы, которых нет у взрослых особей (например, у головастика лягушки - наружные жабры и хвост). Превращение личинки во взрослое животное сопровождается глубокой перестройкой внеш­него и внутреннего строения.

Непрямое развитие часто дает организмам значительные преимущества. Обычно личинка представляет стадию развития, специально приспособленную для активного питания и роста (насекомые, земноводные). Как правило, личинки и взрослые особи одного вида живут в разных условиях и благодаря этому не конкурируют друг с другом за место и пищу. У некоторых организмов личинки способствуют распространению вида. На­пример, у многих сидячих, малоподвижных червей и моллюс­ков личинки свободно плавают и занимают новые места обитания.

Все стадии индивидуального развития любого организма под­вержены влиянию факторов внешней среды. К ним относится целый ряд естественных, природных факторов, среди которых можно в первую очередь назвать температуру, свет, солевой и газовый состав среды обитания, пищевые ресурсы и др.

Есть, однако, факторы, воздействие которых на индивидуаль­ное развитие не только нежелательно, но и вредно. Особенно следует сказать о таких воздействиях на развитие и функциони­рование организма человека. К числу вредных внешних факторов следует в первую очередь отнести алкогольные напитки и куре­ние.

Употребление алкогольных напитков приносит огромный вред на любом этапе индивидуального развития человека и особенно опасно в подростковом возрасте. Алкоголь губительно действует на все системы органов человека, прежде всего на центральную нервную систему, на сердце и кровеносные сосуды, на легкие, почки, систему органов движения (мышцы). Употребление даже малых доз алкоголя нарушает мыслительную деятельность чело­века, ритм движений, дыхания и деятельность сердца, приводит к многочисленным ошибкам в работе, к возникновению заболе­ваний. Например, алкоголь разрушает печень, вызывает ее пере­рождение (цирроз). Систематическое употребление алкоголя приводит к возникновению тяжелого заболевания - алкоголиз­ма, которое требует длительного специального лечения. У роди­телей-алкоголиков могут рождаться умственноотсталые и физи­чески неполноценные дети.

2.2.5 Митоз. Мейоз

СРАВНЕНИЕ МИТОЗА И МЕЙОЗА

Параметры сравнения	Митоз (непрямое деление)	Мейоз (редукционное деление)
Категория клеток	Соматические	Половые
Изменения  в ядре в интерфазу	Репликация ДНК, то есть удвоение хромосом. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид	Неполная репликация ДНК: в отдельных участках хромосом ДНК осталась недореплицированной
Фазы деления	Профаза: укорочение хромосом; исчезает ядрышко; в цитоплазме формируются нити веретена деления; формируются два полюса клетки. Прометафаза: исчезновение ядерной оболочки; хромосомы в цитоплазме; хромосомы двигаются, занимая центральное положение в клетке.  Метафаза: хромосомы выстраиваются по экватору клетки - метафазная пластинка. Анафаза: сестринские хро-матиды, ставшие самостоятельными хромосомами, расходятся к полюсам за счет взаимодействия центромерных районов хромосом с микротрубочками веретена.  Телофаза: вокруг собранных у полюсов хромосом формируется ядерная оболочка; хромосомы из компактных - в длинные; образуются ядрышки; разделение цито-плазмы - цитокинез	Состоит из двух последовательных делений. Профаза I: Лептотена - стадия тонких нитей. Зиготена - объединение гомологич-ных хромосом (конъюгация); заканчивается репликация ДНК. Диплотена - хромосомы конденсиру-ются и укорачиваются. Диакинез - связь между двумя гомологами ослабевает и исчезает. Исчезновение ядерной оболочки и ядрышка. Метафаза I: в центре клетки выстраиваются хромосомы, объединенные попарно, - биваленты; их количество гаплоидное. Центромерные районы каждой хромосомы способны взаимодействовать с центромерными нитями только одного полюса. Биваленты движутся независимо друг от друга, то есть отцовские и материнские по происхождению хромосомы оказываются соединенными с разными полюсами. Анафаза I: бивалент распадается на две хромосомы, которые отходят к разным полюсам.
Параметры сравнения	Митоз (непрямое деление)	Мейоз (редукционное деление)
		Телофаза I = интеркинез: хромосомы деконденсируются; ядро интерфаз-ного вида; нет удвоения хромосом. Профаза II - гаплоидное число хромосом. Прометафаза II, метафаза II, анна-фаза II, телофаза II — аналогично митозу
Число дочерних клеток	2	4
Набор хромосом дочерних клеток	Идентичен материнской. 2п	Наследственная информация каждой дочерней клетки отличается от материнской и других дочерних. n.
Результат деления	Строго равномерное распределение хромосом между ядрами дочерних клеток. Точная передача наследственной информации каждому из дочерних ядер	Редукция числа хромосом, то есть из диплоидной клетки образуются гаплоидные. Клетки имеют различную наследственную информацию, что способствует наследственной изменчивости

РОСТ и РАЗВИТИЕ

Рост и развитие человека в первые 20 лет жизни проходят определенные стадии. К 40 годам появляются первые признаки старения

Рост и развитие – параллельные процессы. Рост – это увеличение размеров тела, а развитие – процесс формирования клеток, специализирующихся на выполнении определенных функций в организме, рост и развитие контролируются гормонами. В первый год жизни младенец полностью зависит от родителей, обеспечивающих ему питание и защиту. Но уже в это время он начинает приобретать различные навыки: учится говорить, ходить и общаться с окружающими. С годами эти навыки закрепляются, развиваются, и к ним добавляются новые.
	ñ Зрительный контакт и прикосновения укрепляют связь между матерью и малышом. Эта взаимная привязанность возникает с самого рождения ребенка. Когда мать прижимает его к себе, он чувствует себя защищенным. В ответ он улыбается и что-то лопочет. Обобщение усиливает естественную любовь родителей к своим детям.
	Половое созревание Половое созревание начинается примерно в 11 лет у девочек и в 13 у мальчиков. В это время у обоих полов появляются волосы под мышками и на лобке. У девочек округляется фигура, увеличивается грудь и становятся шире бедра. Из яичников высвобождаются созревающие яйцеклетки – начинаются менструации. У мальчиков тело становится более мускулистым и волосатым. Расширяются плечи, ломается голос, и в семенниках начинают созревать сперматозоиды.
ñ Сравнение 2 снимков одного и того же человека, сделанных в разном возрасте, позволяют заметить, как изменилась форма его лица между 6 и 16 годами. По форме черепа видно, что в позднем детстве лицевые кости растут очень быстро.

_ После быстрого роста в первые годы жизни дети в течение ряда лет растут примерно с одинаковой скоростью. Затем у подростков в период полового созревания происходит резкое ускорение роста, и тело постепенно принимает вид, свойственный взрослому человеку. Примерно к 20 годам рост прекращается

Старение

После 40 лет организм человека стареет довольно быстро. Кожа покрывается морщинами, мышцы утрачивают силу, кости становятся более хрупкими, снижается чувствительность, седеют и утончаются волосы. В конце концов одна или несколько систем организма перестают работать, и человек умирает

ГЕНЫ И ХРОМОСОМЫ Хромосомы имеются в ядрах всех клеток. Каждая хромосома содержит наследственные инструкции - гены

ñ В молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) хранится информация, необходимая для построения клеточных структур организма. Молекулы ДНК закручены в спираль и упакованы в хромосомы. Каждая молекула ДНК образует 1 хромосому. В ядрах почти всех клеток человека содержится 46 хромосом, а в ядрах половых клеток -23 хромосомы. В молекуле ДНК 2 связанные между собой цепи закручены одна вокруг другой, образуя дойную спираль. Цепи удерживаются вместе посредством входящих в их состав азотистых оснований. Существует 4 типа оснований, и их точная последовательность в молекуле ДНК служит генетическим кодом, определяющим структуру и функции клеток.

В теле человека около 100 000 генов. Один ген – это небольшой участок молекулы ДНК.  Каждый ген содержит инструкции по синтезу 1 белка в клетке. Поскольку белки регулируют обмен веществ, получается, что именно гены управляют всеми химическими реакциями в организме, определяют строение и функции нашего тела.

Все клетки, кроме половых, содержат 46 хромосом, объединенных в 23 пары. Каждая пара состоит из 1 материнской и 1 отцовской хромосом. У парных хромосом одинаковый набор генов, представленных соответственно в 2 вариантах – материнском и отцовском. Два варианта одного и того же гена, ответственного за определенный признак, образую пару. В паре генов обычно доминирует и подавляет действие другого.

Сегодня ученые работают над проектом «Геном человека». Они стремятся определить последовательность азотистых оснований в ДНК человека, идентифицировать каждый ген и выяснить, что он контролирует.

Рисунок 11 – Схема поведения хромосом в процессе мейоза (созревание половых клеток)

Для сравнения рядом приведена схема поведения хромосом при митозе (справа) Гомологичные хромосомы одинакового размера и формы. Различными цветами обозначены отцовские и материнские хромосомы. После удвоения одна из хромосом обозначена сплошной линией, другая – прерывистой.

Опорные точки:

1)       Бесполое размножение характерно для растений и большинства беспозвоночных животных.

2)       У многоклеточных организмов половое размножение осуществляется при помощи половых клеток – гамет.

3)       Основателем современной эмбриологии считается академик РА К.М. Бэр; заслуга создания эволюционной эмбриологии принадлежит русским ученым А.О. Ковалевскому и И.И. Мечникову.

Основные положения:

1)       Онтогенез подразделяется на два крупных периода: эмбриональный и постэмбриональный.

2)       Эмбриональный период продолжается с момента образования зиготы в результате слияния сперматозоида с яйцеклеткой и завершается выходом организма из яйцевых оболочек, или рождением.

3)       Постэмбриональное развитие начинается с момента рождения, а заканчивается смертью организма. Периоды: дорепродуктивный, репродуктивный и пострепродуктивный.

4)       На основе изучения онтогенеза Ф. Мюллер и Э. Геккель сформулировали биогенетический закон: «Онтогенез каждой особи есть краткое и быстрое повторение филогенеза вида, к которому эта особь относится».

Вопросы для повторения:

1)       Каково биологическое значение бесполого размножения?

2)       Укажите отличия мейоза от митоза.

3)       Что называется, индивидуальным развитием организма?

Проблемные области:

1)       Чем обусловлена и каким образом осуществляется инициация деятельности различных групп генов в разных клетках зародыша?

2)       Каковы особенности регуляции развития организма на этапах онтогенеза?

РАЗДЕЛ 3.  ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ И СЕЛЕКЦИИ. ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ. БИОНИКА

Тема 3.1 Основы учения о наследственности и изменчивости. Закономерности изменчивости.

Генетика по праву может считаться одной из самых важных областей биологии. На протяжении тысячелетий человек пользовался генетическими методами для улучшения домашних животных и возделываемых растений, не имея представления о механизмах, лежащих в основе этих методов. Судя по разнообразным археологическим данным, уже 6000 лет назад люди понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения другому. Отбирая определенные организмы из при­родных популяций и скрещивая их между собой, человек создавал улучшенные сорта растений и породы животных, обладавшие нужными ему свойствами.

Однако лишь в начале XX в. ученые стали осознавать в полной мере важность законов наследственности и ее механизмов. Хотя успехи микроскопии позволили установить, что наследственные признаки передаются из поколения в поколение через сперматозоиды и яйцеклетки, оставалось неясным, каким образом мельчайшие частицы протоплазмы могут нести в себе «задатки» того огромного множества признаков, из которых слагается каждый отдельный организм.

Первый действительно научный шаг вперед в изучении наследственности был сделан австрийским монахом Грегором Менделем, который в 1866 г. опубликовал статью, заложившую основы современной генетики. Мендель показал, что наследственные задатки не смешиваются, а передаются от родителей потомкам в виде дискретных (обособленных) единиц. Эти единицы, представленные у особей парами, остаются дискретными и передаются последующим поколениям в мужских и женских гаметах, каждая из которых содержит по одной единице из каждой пары. В 1909 г. датский ботаник Иогансен назвал эти единицы гедам», а в 1912 г. американский генетик Морган показал, что они находятся в хромосомах. С тех пор генетика достигла больших успехов в объяснении природы наследственности и на уровне организма, и на уровне гена.

Грегор Мендель родился в Моравии в 1822 г. В 1843 г. он поступил в монастырь августинцев в Брюние (ныне Брно, Чехословакия), где принял духовный сан. Позже он отправился в Вену, где провел два года, изучая в университете естественную историю и математику, после чего в 1853 г. вернулся в монастырь. Такой выбор предметов, несомненно, оказал существенное влияние на его последующие работы по наследованию признаков у гороха. Будучи в Вене, Мендель заинтересовался процессом гибридизации растений и, в частности, разными типами гибридных потомков и их статистическими соотношениями. Эти проблемы и явились предметом научных исследований Менделя, которые он начал летом          1856 г.

Успехи, достигнутые Менделем, частично обусловлены удачным выбором объекта для экспериментов - гороха огородного (Pisum sativum). Мендель удостоверился, что по сравнению с другими этот вид обладает следующими преимуществами:

1)  имеется много сортов, четко различающихся по ряду признаков;

2)  растения легко выращивать;

3)  репродуктивные органы полностью прикрыты лепестками, так что растение обычно самоопыляется; поэтому его сорта размножаются в чистоте, т.е. их признаки из поколения в поколение остаются неизменными;

4)  возможно искусственное скрещивание сортов, и оно дает вполне плодовитых гибридов. Из 34 сортов гороха Мендель отобрал 22 сорта, обладающие четко выраженными различиями по ряду признаков, и использовал их в своих опытах со скрещиванием. Менделя интересовали семь главных признаков: высота стебля, форма семян, окраска семян, форма и окраска плодов, расположение и окраска цветков.

И до Менделя многие ученые проводили подобные эксперименты на растениях, но ни один из них не получил таких точных и подробных данных; кроме того, они не смогли объяснить свои результа­ты с точки зрения механизма наследственности. Моменты, обеспечившие Менделю успех, следует признать необходимыми условиями проведения всякого научного исследования и принять их в качестве образца. Условия эти можно сформулировать следующим образом:

1)       проведение   предварительных исследований для ознакомления с экспериментальным объектом;

2)       тщательное планирование всех экспериментов, с тем чтобы всякий раз внимание было сосредоточено на одной переменной, что упрощает наблюдения;

3)       строжайшее соблюдение всех методик, с тем чтобы исключить возможность введения пере­менных, искажающих результаты (подробности см. ниже);

4)       точная регистрация всех экспериментов и запись всех полученных результатов;

5)       получение достаточного количества данных, чтобы их можно было считать статистически достоверными.

Как писал Мендель, «достоверность и полезность всякого эксперимента определяются пригодностью данного материала для тех целей, в которых он используется».

Следует, однако, отметить, что в выборе экспериментального объекта Менделю кое в чем и просто повезло: в наследовании отобранных им признаков не было ряда более сложных особенностей, открытых позднее, таких как неполное доминирование, зависимость более чем от одной пары генов, сцепление генов.

3.1.1   Наследование при моногибридном скрещивании и закон расщепления

Для своих первых экспериментов Мендель выбирал растения двух сортов, четко различавшихся по какому-либо признаку, например, по расположению цветков: цветки могут быть распределены по всему стеблю (пазушные) или находиться на конце стебля (верхушечные). Растения, различающиеся по одной паре альтернативных признаков, Мендель выращивал на протяжении ряда поколений. Семена от пазушных цветков всегда давали растения с пазушными цветками, а семена от верхушечных цветков- растения с верхушечными цветками. Таким образом, Мендель убедился, что выбранные им растения размножаются в чистоте (т.е. без расщепления потомства) и пригодны для проведения опытов по гибридизации (экспериментальных скрещиваний).

Его метод состоял в следующем: он удалял у ряда растений одного сорта пыльники до того, как могло произойти самоопыление (эти растения Мендель называл «женскими»); пользуясь кисточкой, он наносил на рыльца этих «женских» цветков пыльцу из пыльников растения другого сорта; затем он надевал на искусственно опыленные цветки маленькие колпачки, чтобы на их рыльца не могла попасть пыльца с других растений. Мендель проводил реципрокные скрещивания - переносил пыльцевые зерна как с пазушных цветков на верхушечные, так и с верхушечных на пазушные. Во всех случаях из семян, собранных от полученных гибридов, вырастали растения с пазушными цветками. Этот признак-«пазушные цветки», - наблюдаемый у растений первого гибридного поколения, Мендель назвал доминантным; позднее, в 1902 г., Бэтсон и Сондерс стали обозначать первое поколение гибридного потомства символом F₁ . Ни у одного из растений F₁ не было верхушечных цветков.

На цветки растений F₁ Мендель надел колпачки (чтобы не допустить перекрестного опыления) и дал им возможность самоопылиться. Семена, собранные с растений F₁ , были пересчитаны и высажены следующей весной для получения второго гибридного поколения, F₂ (поколение F₂ - это всегда результат инбридинга в поколении F₁ , в данном случае самоопыления). Во втором гибридном поколении у одних растений образовались пазушные цветки, а у других - верхушечные. Иными словами, признак «верхушечные цветки», отсутствовавший в поколении F₁ , вновь появился в поколении F₂. Мендель рассудил, что этот признак присутствовал в поколении F₁ в скрытом виде, но не смог проявиться; поэтому он назвал его рецессивным. Из 858 растений, полученных Менделем в F₂, у 651 были пазушные цветки, а у 207-верхушечные. Мендель провел ряд аналогичных опытов, используя всякий раз одну пару альтернативных признаков. Результаты экспериментальных скрещиваний по семи парам таких признаков приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты экспериментов Менделя по наследованию семи пар альтернативных признаков. (Наблюдаемое соотношение доминантных и рецессивных признаков приближается к теоретически ожидаемому 3: 1).

Признак	Родительские растения		Поколение F2		Отношение
	доминантный признак	рецессивный признак	домина-тные	рецессивные
Высота стебля	Высокий	Низкий	787	277	2,84 : 1
Семена	Гладкие	Морщинистые	5474	1850	2,96 : 1
Окраска семян	Желтые	Зеленые	6022	2001	3,01 : 1
Форма плодов	Плоские	Выпуклые	882	299	2,95 : 1
Окраска плодов	Зеленые	Желтые	428	152	2,82 : 1
Положение цветков	Пазушные	Верхушечные	651	207	3,14 : 1
Окраска цветков	Красные	Белые	705	224	3,15 : 1
Итого			14949	5010	2,98 : 1

Во всех случаях анализ результатов показал, что отношение доминантных признаков к рецессивным в поколении F₂ составляло примерно 3:1.

Приведенный выше пример типичен для всех экспериментов Менделя, в которых изучалось наследование одного признака (моногибридные скрещивания).

На основании этих и аналогичных результатов Мендель сделал следующие выводы:

1)       Поскольку исходные родительские сорта размножались в чистоте (не расщеплялись), у сорта с пазушными цветками должно быть два «пазушных» фактора, а у сорта с верхушечными цветками – два «верхушечных» фактора.

2)       Растения F₁ содержали по одному фактору, полученному от каждого из родительских растений через гаметы.

3)       Эти факторы в F₁ не сливаются, а сохраняют свою индивидуальность.

4)       «Пазушный» фактор доминирует над «верхушечным» фактором, который рецессивен.

Разделение пары родительских факторов при образовании гамет (так что в каждую гамету попадает лишь один из них) известно под названием первого закона Менделя, или закона расщепления. Согласно
этому закону, признаки данного организма детерминируются парами внутренних факторов. В одной гамете может быть представлен лишь один из каждой пары таких факторов.

Теперь мы знаем, что эти факторы, детерминирующие такие признаки, как расположение цветка, соответствуют участкам хромосомы, называемым генами.

Описанные выше эксперименты, проводившиеся Менделем при изучении наследования одной пары альтернативных признаков, служат примером моногибридного скрещивания.

3.1.2 Дигибридное скрещивание и закон независимого распределения

Установив возможность предсказывать результаты скрещиваний по одной паре альтернативных признаков, Мендель перешел к изучению наследования двух пар таких признаков. Скрещивания между особями, различающимися по двум признакам, называют дигибридными.

В одном из своих экспериментов Мендель использовал растения гороха, различающиеся по форме и окраске семян.

Применяя метод, описанный в подтеме 4.1.1, он скрещивал между собой чистосортные (гомозиготные) растения с гладкими желтыми семенами и чистосортные растения с морщинистыми зелеными семенами. У всех растений F₁ (первого поколения гибридов) семена были гладкие и желтые. По результатам проведенных ранее моногибридных скрещиваний Мендель уже знал, что эти признаки доминантны; теперь, однако, его интересовали характер и соотношение семян разных талов в поколении F₂, полученном от растений F₁ путем самоопыления. Всего он собрал от растений F₂  556 семян, среди которых было

гладких желтых                           315

морщинистых желтых               101

гладких зеленых                          108

морщинистых зеленых              32

Соотношение разных фенотипов составляло примерно 9: 3: 3: 1 (дигиб-ридное расщепление). На основании этих результатов Мендель сделал два вывода:

1)     В поколении F₂ появилось два новых сочетания признаков: морщинистые и желтые; гладкие и зеленые.

2)     Для каждой пары аллеломорфных признаков (фенотипов, опреде-ляемых различными аллелями) получилось отношение 3:1, характерное для моногибридного скрещивания - среди семян было 423 гладких и 133 морщинистых, 416 желтых и 140 зеленых.

Эти результаты позволили Менделю утверждать, что две пары признаков (форма и окраска семян), наследственные задатки которых объединились в поколении F₁ , в последующих поколениях разделяются и ведут себя независимо одна от другой. На этом основан второй закон Менделя - принцип независимого распределения, согласно которому каждый признак из одной пары признаков может сочетаться с любым признаком из другой пары.

Краткое изложение сути гипотез Менделя

1)     Каждый признак данного организма контролируется парой аллелей.

2)     Если организм содержит два различных аллеля для данного признака, то один из них (доминантный) может проявляться, полностью подавляя проявление другого (рецессивного).

3)     При мейозе каждая пара аллелей разделяется (расщепляется) и каждая гамета получает по одному из каждой пары аллелей (принцип расщепления).

4)     При образовании мужских и женских гамет в каждую из них может попасть любой аллель из одной пары вместе с любым другим из другой пары (принцип независимого распределения).

5)     Каждый аллель передается из поколения в поколение как дискретная не изменяющаяся еди­ница.

6)     Каждый организм наследует по одному аллелю (для каждого признака) от каждой из роди­тельских особей.

3.1.3 Хромосомная теория наследственности

К концу XIX в. в результате повышения оптических качеств микроскопов и совершенствования цитологических методов возможно стало наблюдать поведение хромосом в гаметах и зиготах. Еще в 1875 г. Гертвиг обратил внимание на то, что при оплодотворении яиц морского ежа происходит слияние двух ядер - ядра спермия и ядра яйцеклетки. В 1902 г. Бовери продемонстрировал важную роль ядра в регуляции развития признаков организма, а в 1882 г. Флемминг описал поведение хромосом во время митоза.

В 1900 г. законы Менделя были вторично открыты и должным образом оценены почти одновременно и независимо друг от друга тремя учеными - де Фризом, Корренсом и Чермаком. Корренс сформулировал выводы Менделя в привычной нам форме двух законов и ввел термин «фактор», тогда как Мендель для описания единицы наследственности пользовался словом «элемент». Позднее американец Уильям Сэттон заметил удивительное сходство между поведением хромосом во время образования гамет и оплодотворения и передачей менделевских наследственных факторов.

На основании изложенных выше данных Сэттон и Бовери высказали мнение, что хромосомы являются носителями менделевских факторов, и сформулировали так называемую хромосомную теорию наследственности. Согласно этой теории, каждая пара факторов локализована в паре гомологичных хромосом, причем каждая хромосома несет по одному фактору.  Поскольку число признаков у любого ор­ганизма во много раз больше числа его хромосом, видимых в микроскоп, каждая хромосома должна содержать множество факторов.

В 1909 г. Иогансен заменил термин фактор, означавший основную единицу наследственности, термином ген. Альтернативные формы гена, определяющие его проявление в фенотипе, назвали аллеля­ми. Аллели - это конкретные формы, которыми может быть представлен ген, и они занимают одно и то же место - локус - в гомологичных хромосомах.

3.1.4 Наследование, сцепленное с полом

Гены, находящиеся в половых хромосомах, называют сцепленными с полом. В X - хромосоме имеется участок, для которого в Y-хромосоме нет гомолога. Поэтому у особей мужского пола признаки, определяемые генами этого участка, проявляются даже в том случае, если они рецессивны. Эта особая форма сцепления позволяет объяснить наследование признаков, сцепленных с полом, например, цветовой слепоты, раннего облысения и гемофилии у человека. Гемофилия - сцепленный с полом рецессивный признак, при котором нарушается образование фактора VIII, ускоряющего свертывание крови.

Ген, детерминирующий синтез фактора VIII, находится в участке X – хромосомы, не имеющем гомолога, и представлен двумя аллелями - доминантным нормальным и рецессивным мутантным. Возможны следующие генотипы и фенотипы:

Генотип	Фенотип
ХНХН	Нормальная женщина
XHXh	Нормальная женщина (носитель)
ХНу	Нормальный мужчина
XhY	Мужчина - гемофилитик

Особей женского пола, гетерозиготных по любому из сцепленных с полом признаков, называют носителями соответствующего рецессивного гена. Они фенотипически нормальны, но половина их гамет несет рецессивный ген. Несмотря на наличие у отца нормального гена, сыновья матерей - носителей с вероятностью 50% будут страдать гемофилией.

От брака женщины - носителя с нормальным мужчиной могут родиться дети с различными фенотипами.

Один из наиболее хорошо документированных примеров наследования гемофилии мы находим в родословной потомков английской королевы Виктории. Предполагают, что ген гемофилии возник в результате мутации у самой королевы Виктории или у одного из ее родителей. На рисунке 12 показано как это ген передавался ее потомкам.

Рисунок 12 –Наследование гемофилии у потомков королевы Виктории

На схеме указаны только те потомки, которые участвовали в передаче гемофилии или были поражены ею. Родословная британского королевского дома продолжена, чтобы показать, почему гемофилия не проявилась здесь ни у одного из потомков королевы Виктории на протяжении семи поколений

3.1.5 Генные и хромосомные мутации

Мутацией называют изменение количества или структуры ДНК данного организма. Мутация приводит к изменению генотипа, которое может быть унаследовано клетками, происходящими от мутантной клетки в результате митоза или мейоза. Мутирование может вызывать изменения каких-либо признаков в популяции. Мутации, возникшие в половых клетках, передаются следующим поколениям организмов, тогда как мутации в соматических клетках наследуются только дочерними клетками, образовавшимися путем митоза, и такие мутации называют соматическими.

Мутации, возникающие в результате изменения числа или макроструктуры хромосом, известны под названием хромосомных мутаций или хромосомных аберраций (перестроек). Иногда хромосомы так сильно изменяются, что это можно увидеть под микроскопом. Но термин «мутация» используют главным образом для обозначения изменения структуры ДНК в одном докую, когда происходит так называемая генная, или точечная, мутация.

Представление о мутации как о причине внезапного появления нового признака было впервые выдвинуто в 1901 г. голландским ботаником Гуго де Фризом, изучавшим наследственность у энотеры Oenothera lamarckiana. Спустя 9 лет Т. Морган начал изучать мутации у дрозофилы, и вскоре при участии генетиков всего мира у нее было идентифицировано более 500 мутаций.

Внезапные спонтанные изменения фенотипа, которые нельзя связать с обычными генетическими явлениями или микроскопическими данными о наличии хромосомных аберраций, можно объяснить только изменениями в структуре отдельных генов. Генная, или точечная (поскольку она относится к определенному генному локусу), мутация - результат изменения нуклеотидной последовательности молекулы ДНК в определенном участке хромосомы. Такое изменение последовательности оснований в данном гене воспроизводится при транскрипции в структуре мРНК и приводит к изменению последовательности аминокислот в полипептидной цепи, образующейся в результате трансляции на рибосомах.

Существуют различные типы генных мутаций, связанных с добавлением, выпадением или перестановкой оснований в гене.

Это дупликации, вставки, делении, инверсии или замены оснований. Во всех случаях они приводят к изменению нуклеотидной последовательности, а часто - и к образованию измененного полипептида. Например, делеция вызывает сдвиг рамки.

Генные мутации, возникающие в гаметах или в будущих половых клетках, передаются всем клеткам потомков и могут влиять на дальнейшую судьбу популяции. Соматические генные мутации, про­исходящие в организме, наследуются только теми клетками, которые образуются из мутантной клетки путем митоза. Они могут оказать воздействие на тот организм, в котором они возникли, но со смертью особи исчезают из генофонда популяции. Соматические мутации, вероятно, возникают очень часто и остаются незамеченными, но в некоторых случаях при этом образуются клетки с повышенной скоростью роста и деления. Эти клетки могут дать начало опухолям - либо доброкачественным, которые не оказывают особого влияния на весь организм, либо злокачественным, что приводит к раковым заболеваниям.

Эффекты генных мутаций чрезвычайно разнообразны. Большая часть мелких генных мутаций фенотипически не проявляется, поскольку они рецессивны, однако известен ряд случаев, когда измене­ние всего лишь одного основания в определенном гене оказывает глубокое влияние на фенотип. Одним из примеров служит серповидноклеточная анемия - заболевание, вызываемое у человека заменой основания в одном из генов, ответственных за синтез гемоглобина. Молекула дыхательного пигмента гемоглобина у взрослого человека состоит из четырех полипептидных цепей (двух a- и двух b- цепей), к которым присоединены четыре простетические группы гема. От структуры полипептидных цепей зависит способность молекулы гемоглобина переносить кислород. Изменение последовательности оснований в триплете, кодирующем одну определенную аминокислоту из 146, входящих в состав b-цепей, приводит к синтезу аномального гемоглобина серповидных клеток (HbS). Последовательности аминокислот в нормальных и аномальных b-цепях различаются тем, что в одной точке аномальных цепей гемоглобина S глутамидовая кислота замещена валином. В результате такого, казалось бы, не­значительного изменения гемоглобин S кристаллизуется при низких концентрациях кислорода, а это в свою очередь приводит к тому, что в венозной крови эритроциты с таким гемоглобином деформируются (из округлых становятся серповидными) и быстро разрушаются.

Физиологический эффект мутации состоит в развитии острой анемии и снижении количества кислорода, переносимого кровью. Анемия не только вызывает физическую слабость, но и может привести к нарушениям деятельности сердца и почек и к ранней смерти людей, гомозиготных по мутантному аллелю.

В гетерозиготном состоянии этот аллель вызывает значительно меньший эффект: эритроциты выглядят нормальными, а аномальный гемоглобин составляет только около 40%.

У гетерозигот развивается анемия лишь в слабой форме, а зато в тех областях, где широко распространена малярия, особенно в Африке и Азии, носители аллеля серповидноклеточности невосприимчивы к этой болезни. Это объясняется тем, что ее возбудитель - малярийный плазмодий - не может жить в эритроцитах, содержащих аномальный гемоглобин.

3.1.6 Значение мутаций

Хромосомные и генные мутации оказывают разнообразные воздействия на организм. Во многих случаях эти мутации летальны, так как нарушают развитие; у человека, например, около 20% беремен­ностей заканчиваются естественным выкидышем в сроки до 12 недель, и в половине таких случаев можно обнаружить хромосомные аномалии. В результате некоторых хромосомных мутаций опреде­ленные гены могут оказаться вместе, и их общий эффект может привести к появлению какого-либо «благоприятного» признака. Кроме того, сближение некоторых генов друг с другом делает менее вероят­ным их разделение в результате кроссинговера, а в случае благоприятных генов это создает преимущество.

Генная мутация может привести к тому, что в определенном локусе окажется несколько аллелей. Это увеличивает как гетерозиготность данной популяции, так и ее генофонд, и ведет к усилению внутрипопуляционной изменчивости. Перетасовка генов как результат кроссинговера, независимого распределения, случайного оплодотворения и мутаций может повысить непрерывную изменчивость, но ее эволюционная роль часто оказывается преходящей, так как возникающие при этом изменения могут быстро сгладиться вследствие «усреднения». Что же касается генных мутаций, то некоторые из них увеличивают дискретную изменчивость, и это может оказать на популяцию более глубокое влияние. Большинство генных мутаций рецессивны по отношению к «нормальному» аллелю, который, успешно выдержав отбор на протяжении многих поколений, достиг генетического равновесия с остальным генотипом. Будучи рецессивными, мутантные аллели могут оставаться в популяции в течение многих поколений, пока им не удастся встретиться, т. е. оказаться в гомозиготном состоянии и проявиться в  фенотипе. Время от времени могут возникать и доминантные мутантные аллели, которые немедленно дают фенотипический эффект.

Роль генов в развитии организма огромна. Гены характеризуют все признаки будущего организма, такие, как цвет глаз и кожи, размеры, вес и многое другое. Гены являются носителями наследственной информации, на основе которой развивается организм.

Опорные точки:

1)       Генетика изучает два фундаментальных свойства живого – наследственность и изменчивость.

2)       Закономерности наследования признаков – это законы Г. Менделя.

3)       Изменчивость представляет собой всеобщее свойство живых организмов приобретать новые признаки и свойства.

4)       Изменчивость бывает генотипическая (наследственная) и модификационная (ненаследственная)

Основные положения:

1)       Наследственность создает непрерывную преемственность признаков, свойств и особенностей развития в ряду поколений.

2)       Изменчивость обеспечивает материал для естественного отбора, создавая новые варианты признаков и бесчисленное множество комбинаций прежде существовавших и новых признаков и свойств живых организмов.

3)       Генотип – совокупность взаимодействующих генов организма, фенотип – совокупность всех признаков и свойств организма – и это результат взаимодействия генотипа и окружающей среды.

4)       При скрещивании двух потомков первого поколения между собой (двух гетерозигот) во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом соотношении: по фенотипу 3: 1, по генотипу 1: 2: 1 (второй закон Менделя).

5)       При скрещивании двух гомозигот, отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях (третий закон Менделя)

Вопросы для повторения:

1)       Что изучает генетика?

2)       Законы Г. Менделя.

3)       Наследственность и изменчивость – особенности живых организмов.

Проблемные области:

1)       Какие механизмы могут лежать в основе появления мутаций у живых организмов?

2)       В чем же сущность гибридологического метода, разработанного Г. Менделем?

Тема 3.2 Экология — наука о взаимоотношениях организмов между собой и окружающей средой. Биосфера — глобальная экосистема.

3.2.1 Характеристика и состав биосферы

В буквальном переводе термин "биосфера" обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 - 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" Э.Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 - 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии живых организмов.

Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 - 1920) трех способов питания живых организмов:

Ø  автотрофное - построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

Ø  гетеротрофное - строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

Ø  миксотрофное - смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).

Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже XIX - XX вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой - сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача - конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре.

Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 - 1945).

3.2.2 В.И. Вернадский о биосфере и "живом веществе"

Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И. Вернадский определяет, как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И.Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается прежде всего в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

По мнению В.И.Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

Ø  открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;

Ø  явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела.  Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И.Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы.

Не случайно поэтому В.И. Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь - жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814 - 1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

Ø  изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах - геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;

Ø  в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется прежде всего "в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество
биосферы и обратно";

Ø  только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч.Дарвина (1859 г.);

Ø  живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

В.И.Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.

Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в упрощенной модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы "не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше". В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.

Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т. д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.

Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать - на Земле или в Космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?

Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые. В.И.Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы пока не существует. Сам он как ученый вначале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, когда утверждал, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Во всяком случае некоторые останки жизни были обнаружены даже в докембрийских слоях, насчитывающих 600 миллионов лет. Эти отрицательные результаты, по мнению В.И.Вернадского, дают возможность высказать предположение, что жизнь как материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Но такое предположение есть не больше, чем эмпирическое обобщение, основанное на том, что следы живого вещества до сих пор не обнаружены в земных слоях. Чтобы стать научной гипотезой, оно должно быть согласовано с другими результатами научного познания, в том числе и с более широкими концепциями естествознания и философии. Во всяком случае нельзя не считаться со взглядами тех натуралистов и философов, которые защищали тезис о возникновении живой материи из неживой, а в настоящее время даже выдвигают достаточно обоснованные гипотезы и модели происхождения жизни.

Предположения относительно абиогенного, или неорганического, происхождения жизни делались неоднократно еще в античную эпоху, например, Аристотелем, который допускал возможность возникновения мелких организмов из неорганического вещества. С возникновением экспериментального естествознания и появлением таких наук, как геология, палеонтология и биология, такая точка зрения подверглась критике как не обоснованная эмпирическими фактами. Еще во второй половине XVII в. широкое распространение получил принцип, провозглашенный известным флорентийским врачом и натуралистом           Ф. Реди, что все живое возникает из живого. Утверждению этого принципа содействовали исследования знаменитого английского физиолога Уильяма Гарвея (1578 - 1657), который считал, что всякое животное происходит из яйца, хотя он и допускал возможность возникновения жизни абиогенным путем.

В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические исследования снова и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном происхождении жизни. Выше мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке возникновения предбиотической, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными результатами не мог не считаться В.И. Вернадский, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными, но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. Он перенес возникновение жизни за пределы Земли, а также допускал возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях. Он писал: "Принцип Реди... не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки."

Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической деятельностью человечества.

3.2.3 Биосфера и человек. Ноосфера

Вернадский, анализируя геологическую историю Земли, утверждает, что наблюдается переход биосферы в новое состояние - в ноосферу под действием новой геологической силы, научной мысли человечества. Однако в трудах Вернадского нет законченного и непротиворечивого толкования сущности материальной ноосферы как преобразованной биосферы.

В одних случаях он писал о ноосфере в будущем времени (она еще не наступила), в других в настоящем (мы входим в нее), а иногда связывал формирование ноосферы с появлением человека разумного или с возникновением промышленного производства. Надо заметить, что, когда в качестве минералога Вернадский писал о геологической деятельности человека, он еще не употреблял понятий "ноосфера" и даже "биосфера". О формировании на Земле ноосферы он наиболее подробно писал в незавершенной работе "Научная мысль как планетное явление", но преимущественно с точки зрения истории науки.

Итак, что же ноосфера: утопия или реальная стратегия выживания? Труды Вернадского позволяют более обоснованно ответить на поставленный вопрос, поскольку в них указан ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы. Перечислим эти условия:

1)     заселение человеком всей планеты;

2)     резкое преобразование средств связи и обмена между странами;

3)     усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли;

4)     начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере;

5)     расширение границ биосферы и выход в космос;

6)     открытие новых источников энергии;

7)     равенство людей всех рас и религий;

8)     увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики;

9)     свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли;

10)  продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни;

11)  разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить   все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения;

12)  исключение войн из жизни общества.

Проследим, насколько выполняются эти условия в современном мире и остановимся более подробно на некоторых из них.

1)        Заселение человеком всей планеты. Это условие выполнено. На Земле не осталось мест, где не ступала бы нога человека. Он обосновался даже в Антарктиде.

2)        Резкое преобразование средств связи и обмена между странами. Это условие также можно считать выполненным. С помощью радио и телевидения мы моментально узнаем о событиях   в   любой   точке   земного   шара.    Средства   коммуникации   постоянно совершенствуются, ускоряются, появляются такие возможности, о которых недавно трудно было мечтать. И здесь нельзя не вспомнить пророческих слов Вернадского: "Этот процесс - полного заселения биосферы человеком - обусловлен ходом истории научной мысли, неразрывно  связан  со  скоростью сношений,  с успехами техники  передвижения,  с
возможностью мгновенной передачи мысли, ее одновременного обсуждения на всей планете" (Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление. М. – 1989 г. С.136). До недавнего времени средства телекоммуникации ограничивались телеграфом, телефоном, радио и телевидением, о которых писал еще Вернадский. Имелась возможность
передавать данные от одного компьютера к другому при помощи модема, подключенного к телефонной линии, документы на бумаге передавались с помощью факсимильных аппаратов. Только в последние годы развитие глобальной телекоммуникационной компьютерной сети Internet дало начало настоящей революции в человеческой цивилизации, которая входит сейчас в эру информации. 

Рост и развитие сети Internet, совершенствование вычислительной и коммуникационной техники идет сейчас подобно тому, как идет размножение и эволюция живых организмов. На это в свое время обратил внимание Вернадский: "Со скоростью, сравнимой скоростью размножения, выражаемой геометрической прогрессией в ходе времени, создается этим путем в биосфере все растущее множество новых для нее косных природных тел и новых больших природных явлений".  "...Ход научной мысли, например, в создании машин, как давно замечено, совершенно аналогичен ходу размножения организмов". Если раньше сетью пользовались только исследователи в области информатики, государственные служащие и подрядчики, то теперь практически любой желающий может получить доступ к ней. И здесь мы видим воплощение мечты Вернадского о благоприятной среде для развития научной работы, популяризации научного знания, об интернациональности науки. Действительно, если раньше людей разделяли границы и огромные расстояния, то теперь, возможно, только языковой барьер. "Всякий научный факт, всякое научное наблюдение, - писал Вернадский, - где бы и кем бы они ни были сделаны, поступают в единый научный аппарат, в нем классифицируются и приводятся к единой форме, сразу становятся общим достоянием для критики, размышлений и научной работы».

Но если раньше для того, чтобы вышла в свет научная работа, чтобы научная мысль стала известной миру, требовались годы, то сейчас любой ученый, имеющий доступ к сети Internet, может представить свой труд, например, в виде так называемой WWW странички (World -Wide Web - "Всемирная паутина") на обозрение всем пользователям сети, причем не только текст статьи и рисунки (как на бумаге), но и подвижные иллюстрации, а иногда и звуковое сопровождение. Сейчас сеть Internet - это мировое сообщество около 30 тысяч компьютерных сетей, взаимодействующих между собой. Население Internet уже составляет почти 30 миллионов пользователей и около 10 миллионов компьютеров, причем количество узлов каждые полтора года удваивается. Вернадский писал: "Скоро можно будет сделать видными для всех события, происходящие за тысячи километров". Можно считать, что и это предсказание Вернадского сбылось.

3)        Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли. Это условие можно считать если не выполненным, то выполняющимся. Возникшая после второй мировой войны Организация Объединенных наций (ООН) оказалась гораздо более устойчивой и действенной, чем Лига наций, существовавшая в Женеве с 1919 г. по 1946 г.

4)        Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере. Это условие также можно считать выполненным, хотя именно преобладание геологической роли человека в ряде случаев привело к тяжелым
экологическим последствиям. Объем горных пород, извлекаемых из глубин Земли всеми шахтами и карьерами мира, сейчас почти в два раза превышает средний объем лав и пеплов, выносимых ежегодно всеми вулканами Земли.

5)        Расширение границ биосферы и выход в космос. В работах последнего десятилетия жизни Вернадский не считал границы биосферы постоянными. Он подчеркивал расширение их в прошлом как итог выхода живого вещества на сушу, появления высокоствольной
растительности, летающих насекомых, а позднее летающих ящеров и птиц. В процессе перехода в ноосферу границы биосферы должны расширяться, а человек должен выйти в космос. Эти предсказания сбылись.

6)        Открытие новых источников энергии. Условие выполнено, но, к сожалению, с трагическими последствиями. Атомная энергия давно освоена и в мирных, и в военных целях. Человечество (а точнее политики) явно не готово ограничиться мирными целями, более того - атомная (ядерная) сила вошла в наш век прежде всего, как военное средство и средство устрашения противостоящих ядерных держав.

Вопрос об использовании атомной энергии глубоко волновал Вернадского еще более полувека назад. В предисловии к книге "Очерки и речи" он пророчески писал: "Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой источник силы, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет... Сумеет ли человек воспользоваться этой силой, направить ее на добро, а не на самоуничтожение? Дорос ли он до умения использовать ту силу, которую неизбежно должна ему дать наука?". Огромный ядерный потенциал поддерживается чувством взаимного страха и стремлением одной из сторон к зыбкому превосходству. Могущество нового источника энергии оказалось сомнительным, он пришелся не ко времени и попал не в те руки. Для развития международного сотрудничества в области мирного использования атомной энергии в 1957 году создано Международное Агентство по Атомной Энергии (МАГАТЭ), объединявшее к 1981 году 111 государств.

7)        Равенство людей всех рас и религий. Это условие если не достигнуто, то, во всяком случае, достигается. Решительным шагом для установления равенства людей различных рас и вероисповеданий было разрушение в конце прошлого века колониальных империй.

8)        Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики. Это условие соблюдается во всех странах с парламентской формой правления.

9)        Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли. Трудно говорить о выполнении этого условия в стране, где еще
совсем недавно наука находилась под колоссальным гнетом определенных философских и политических построений. Сейчас наука от таких давлений свободна, однако из-за тяжелого экономического положения в российской науке многие ученые вынуждены зарабатывать
себе на жизнь ненаучным трудом, другие уезжают за границу. Для поддержания российской науки созданы международные фонды. В развитых и даже развивающихся странах, что мы видим на примере Индии, государственный и общественный строй создают режим
максимального благоприятствования для свободной научной мысли.

10)    Продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни. О выполнении этого условия трудно судить объективно, находясь в
большой стране, стоящей на пороге голода и нищеты, как об этом пишут все газеты.

Однако Вернадский предупреждал, что процесс перехода биосферы в ноосферу не может происходить постепенно и однонаправлено, что на этом пути временные отступления неизбежны. И обстановку, сложившуюся сейчас в нашей стране, можно рассматривать как явление временное и преходящее.

11)    Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические   и духовные   потребности численно возрастающего населения. Это условие, особенно в нашей стране, не может считаться выполненным, однако первые шаги в направлении разумного преобразования природы во
второй половине XX века несомненно начали осуществляться. В современный период происходит интеграция наук на базе экологических идей. Вся система научного знания дает фундамент для экологических задач. Об этом также говорил Вернадский, стремясь создать
единую науку о биосфере. Экологизация западного сознания происходила, начиная с 70-х годов, создавая   условия   для   возникновения   экофильной   цивилизации.   Сейчас экстремистская форма зеленого движения оказалась там уже не нужной, поскольку заработали государственные механизмы регулирования экологических проблем. В СССР до 80-х   годов   считалось, что   социалистическое   хозяйствование   препятствует   угрозе экологического кризиса. В период перестройки этот миф развеялся, активизировалось движение   зеленых.   Однако   в   современный   период   политическое   руководство переориентировалось в основном на решение экономических проблем, проблемы экологии отошли на задний план. В мировом масштабе для разрешения экологической проблемы в условиях роста населения планеты требуется способность решения глобальных проблем, что в условиях суверенитета различных государств кажется сомнительным.

12)    Исключение войн из жизни общества. Это условие Вернадский считал чрезвычайно важным для создания и существования ноосферы. Но оно не выполнено и пока неясно, может ли быть выполнено. Мировое сообщество стремится не допустить мировой войны, хотя локальные войны еще уносят многие жизни.

Таким образом, мы видим, что налицо все те конкретные признаки, все или почти все условия, которые указывал В.И.Вернадский для того, чтобы отличить ноосферу от существовавших ранее состояний биосферы. Процесс ее образования постепенный, и, вероятно, никогда нельзя будет точно указать год или даже десятилетие, с которого переход биосферы в ноосферу можно будет считать завершенным. Но, конечно, мнения по этому вопросу могут быть разные.

Сам    Вернадский, замечая    нежелательные, разрушительные    последствия хозяйствования человека на Земле, считал их некоторыми издержками. Он верил в человеческий разум, гуманизм научной деятельности, торжество добра и красоты. Что-то он гениально предвидел, в чем-то, возможно ошибался. Ноосферу следует принимать как символ веры, как идеал разумного человеческого вмешательства в биосферные процессы под влиянием научных достижений. Надо в нее верить, надеяться на ее пришествие, предпринимать соответствующие меры.

3.2.4 Экологические факторы и биогеоценозы

Факторы: абиотические, биотические, антропогенные.

Абиотический фактор - фактор неорганической среды.

Биотический фактор - влияние живых существ.

Абиотические	Биотические	Антропогенные
Температура, свет, влага, ветер, воздух, давление.   Механический      состав почвы, ее проницаемость, влага.  Содержание в почве или воде элементов питания, газовый  состав, соленость воды.	Влияние    растений    на других членов биоценоза.        Влияние   животных    на    других членов биоценоза.	Возникают в результате деятельности   человека: постройка дамб, посадка деревьев,        орошения, вырубка лесов и т. д.

Описание любого биогеоценоза

Все сообщества растений, животных, микроорганизмов, грибов, которые находятся в теснейшей связи друг с другом, создавая неразрывную систему взаимодействующих организмов и их популяций, - биоценоз, который также называют сообществом.

Продуценты в лесу - деревья, кустарники, травы, мхи.

Консументы - звери, птицы, насекомые.

Редуценты - наземные.

Продуценты в пруду - плавающие растения, водоросли, сине-зеленые.

Консументы - насекомые, земноводные, ракообразные, растительноядные и хищные рыбы.

Редуценты - водные формы грибов и растений.

Примером экосистемы является листопадный лес. В состав листопадных лесов входят буки, дубы, грабы, липы, клены, осины и другие деревья, чья листва осенью опадает. В лесу выделяется несколько ярусов растений: высокий и низкий древесный, кустарников, трав и мохового напочвенного покрова. Растения верхних ярусов более светолюбивые и лучше приспособлены к колебаниям температуры и влажности, чем растения нижних ярусов. Кустарники, травы и мхи в лесу теневыносливы, летом они существуют в полумраке, который образуется после полного развертывания листвы деревьев. На поверхности почвы лежит подстилка, состоящая из полуразложившихся остатков, опавшей листвы, веточек деревьев и кустарников, мертвых трав.

Фауна листопадных лесов богата. Много норных грызунов, землероющих насекомоядных, хищников. Встречаются млекопитающие, живущие на деревьях. Птицы гнездятся в различных ярусах леса: на земле, в кустарниках, на стволах или в дуплах и на вершинах деревьев. Много насекомых, которые питаются листьями и древесиной. В подстилке и верхних горизонтах почвы обитает громадное количество беспозвоночных животных, грибов и бактерий.

Свойства биогеоценозов

Устойчивость

Устойчивость - это свойство сообщества и экосистемы выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями. Способность организмов переносить неблагоприятные условия и высокий потенциал размножения обеспечивают сохранение популяций в экосистеме, что гарантирует ее устойчивость.

Саморегуляция

Поддержание определенной численности популяций основано на взаимодействии организмов в звеньях хищников - жертва, паразит - хозяин на всех уровнях пищевых цепей. Массовое размножение вида в биогеоценозе регулируется прямыми и обратными связями, существующими в пищевых цепях. Нарушение естественных цепей питания под воздействием антропогенного фактора может привести к неконтролируемому росту численности особей отдельных популяций и к нарушению природных экологических сообществ.

Круговорот химических элементов

Круговорот углерода

Углекислый газ поглощается растениями-продуцентами и в процессе фотосинтеза преобразуется в углеводы, белки, липиды и другие органические соединения. Эти вещества с пищей используют животные-консументы. Одновременно с этим в природе происходит обратный процесс. Все живые организмы дышат, выделяя углекислый газ, который поступает в атмосферу. Мертвые растительные и животные остатки и экскременты животных разлагаются микроорганизмами-редуцентами. Конечный продукт минерализации - углекислый газ - выделяется из почвы или водоемов в атмосферу. Часть углерода накапливается в почве в виде органических соединений.

В морской воде углерод содержится в виде угольной кислоты и ее растворимых солей, но накапливается он в форме карбоната кальция. Часть углерода в виде карбонатов надолго исключается из круговорота, образуя осадки на дне водоемов. Однако с течением времени в процессах горообразования осадочные массы поднимаются на поверхность в виде горных пород. В результате химических преобразований этих пород углерод карбонатов вновь вовлекается в круговорот. Углерод поступает в атмосферу также с выхлопными газами автомашин, с дымовыми выбросами заводов и фабрик.

В процессе круговорота углерода в биосфере образуются энергети-ческие ресурсы. Все эти вещества произведены фотосинтезирующими растениями за разное время. Следует учитывать, что древесина и торф - восполнимые ресурсы, то есть воспроизводящиеся за относительно короткие промежутки времени, а нефть, горючий газ и уголь - ресурсы невосполнимые. Ограниченность и невосполнимость органического топлива ставят пред человеком сложную задачу овладения новыми источниками энергии - тепловой энергией земных недр, энергией ветра и океанических приливов и, разумеется, энергией Солнца.

БИОМЫ И МЕСТООБИТАНИЯ

Биомы – это крупные природные зоны с особым климатом и характерным растительным и животным миром. В каждом биоме выделяют различные местообитания.

При наблюдении из космоса на поверхности земли можно различить океаны и сушу, а на суше – леса, степи, пустыни и другие крупные, заметно отличающиеся друг от друга зоны. Каждая из таких природных зон и есть биом. Их границы и различия определяются главным образом климатическими особенностями, прежде всего такими, как среднегодовое количество осадков и среднегодовая температура. От климата зависит характер растительности того или иного биома, а от растительности – состав животного мира. Совокупность все биомов составляет биосферу – ту область Земли, в которой присутствует жизнь.

ñ Пустыни – области, где воды испаряется больше, чем выпадает с осадками. Они занимают 1/5 поверхности суши. Это суровые, очень сухие местообитания, однако они отнюдь не безжизненны. Для выживания в пустынях у животных и растений выработались различные приспособления.

Место для жизни

Среди ученых идут споры о том, как различать и классифицировать множество существующих на Земле биомов. Однако все выделяют такие биомы, как тундра, тайга, широколиственные леса, степи, пустыни, дождевые тропические леса, моря, пресные водоемы и эстуарии (устья рек).

Внутри биома различают отдельные местообитания, или биотопы, - участки суши или водоема, освоенные и занятые теми или иными организмами. Например, для водомерок местообитание – это поверхность пруда, для дождевого червя – почва определенного состава и структуры, для ели – почва и окружающее воздушное пространство со своим набором условий. Организмы разных видов, населяющих одно местообитание, образуют сообщество. Обычно виды внутри сообщест­ва связаны между собой сложной системой взаимоотношений, нередко взаимовыгодных. Растения, к примеру, служат пищей и укры­тием для животных, а животные, в свою оче­редь, способствуют опылению и распростра­нению семян растений.

Океан - это огромный биом с разными местообита­ниями - от мелководий до самых больших глубин. Здесь обитает множество беспозвоночных, а также рыбы, рептилии и млекопитающие.

ò На рисунке: 1 Сельдь 2 Кашалот 3 Креветка 4 Химера 5 Удильщик   6 Полорыл 7 Треска 8 Мешкорот 9 Морской паук, погонофоры, двустворча­тый моллюск, белый краб 10 Рыба-тренога 11 Хаулиод 12 Живоглот 13 Рыба-фонарик 14 Рыбамеч 15 Тунец 16 Гигантский кальмар 17 Рыба-молот 18 Барраку­да 19 Португальский кораблик 20 Организмы планктона 21 Зеленая черепаха 22 Морской лев 23 Дель-фин-белобочка

Условия жизни Каждое животное или растение находит в пределах своего местооби-тания необходи­мые условия для полноценного существо­вания. Пингвины, обитающие в Антарк­тике, и белые медведи, освоившие Арк­тику, приспо-соблены, пусть и по-раз­ному, к жизни в условиях полярного холода.  Американская карликовая ли­сица и фенек внешне похожи, хотя они весьма дальние родственники. Сходство облика связано с тем, что оба эти вида обитают в пустыне, только карликовая лисица – В Северной Африке, а фенек – в Африке. Если условия жизни в том или ином местообитании меняются, одни виды организмов приспосабливаются к новым обстоятельствам, тогда как другие вымирают или вынуждены мигрировать в менее благоприятные для них районы. Эта способность организмов приспосабливаться к изменяющимся условиям во многом определяет ход эволюции. Необычные местообитания Некоторые животные приспособились к очень суровым условиям. Так, у побере­жья Антарктиды обитают виды рыб, в крови которых содержится антифриз - вещество, препятствующее образованию кристалликов льда в тканях организма даже при темпера­турах ниже 0°С. А японские макаки в холод­ные зимы, постоянно держатся около горя­чих источников.
	ñ Пингвины - нелетающие птицы, живущие в Ан­тарктике. От холода их защищает толстый слой жира. Для лучшего со­хранения тепла взрослые и птенцы собираются в большие группы.
	ñ У зайца-беляка летом серовато-бурая шкурка, а зимой - белая, делаю­щая его незаметным на снегу.

Опорные точки:

1)       Биосфера земли – оболочка планеты, заселенная живыми организмами.

2)       Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.

3)       На разных континентах в силу ряда обстоятельств (климат, изоляция живых организмов) образовались крупные биогеографические области, характеризующиеся различными биомами.

4)       Биоценозы представляют собой целостные, саморегулирующиеся биологические системы, в состав которых входят живые организмы, обитающие на одной территории.

Основные положения:

1)       Выделение уровней организации живой материи позволяет наиболее полно характеризовать отдельные проявления жизнедеятельности, являющиеся основой выработки обобщённых представлений о жизни.

2)       Виды живых организмов интегрированы в сообщества – биогеоценозы, в которых связаны пищевыми и многими другими взаимодействиями.

3)       Совокупность биогеоценозов формирует биосферу в целом. В биосфере живые организмы осуществляют непрерывный обмен веществ – круговорот элементов и молекул.

4)       «На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

5)       Биосфера включает: живое вещество, биогенное вещество, косное вещество и  биокосное вещество.

Вопросы для повторения:

1)       В чем заключается главная функция биосферы?

2)       Круговорот веществ в природе.

3)       Как сказывается изоляция на формирование сообществ живых организмов?

Проблемные области:

1)       Зачем во всех цивилизованных странах мира создаются правительственные экологические структуры и чем, по вашему мнению, они должны руководствоваться в своей деятельности?

Тема 3.3 Бионика как одно из направлений биологии и кибернетики.

Отцом бионики называют великого Леонардо да Винчи. В записях этого гения можно найти первые попытки технического воплощения природных механизмов. В своё время такие идеи были слишком дерзкими, чтобы стать востребованными. Они заставили обратить на себя значительно позже. Утверждение бионики как самостоятельной науки произошло лишь в 1960 году на научном симпозиуме в Дайтоне.

Бионика-(от др.-греч. βίον — живущее) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и в технике.

 Три года назад корпорация MercedesBenz разработала бионическое транспортное средство, скопированное с тропической рыбы-кузовка.

 Виды бионики различают:

1.                   Биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;

2.                   Теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;

3.                   Техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

1. Изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики, и телемеханики (нейробионика);

2. Исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;

3. Изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике; исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

 Таким образом спроектировали поезда, за основу взявши строение обыкновенного дождевого червя

 Поговорим о важном.

Создание модели в бионике — это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчёта. И поэтому многие бионические модели, до того, как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа — бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

Присоски.

Осьминог изобрел изощренный метод охоты на свою жертву: он охватывает ее щупальцами и присасывается сотнями присосок, целые ряды которых находятся на щупальцах. Присоски помогают ему также двигаться по скользким поверхностям, не съезжая вниз. На щупальце осьминога хорошо видны присоски, расположенные плотными рядами. Коврик с присоскамизаимствование у природы. Так же присоски послужили удобным средством в сфере медицины и в быту человека.

Эйфелева башня

Когда специалисты по бионике сталкиваются с некой инженерной или дизайнерской проблемой они ищут решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям. Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии. Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера (HermannVonMeyer). За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не ломается под тяжестью тела. Костная структура головки бедренной кости Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости. Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал.

Репейник

Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль (GeorgesdeMestral) в 1955 году. Когда он гулял с собакой, то начал замечать, что к шерсти его питомца начали прилипать странные растения. Позже он выяснил, причину покоторым прилипает этот сорняк, и оказалось, что они держались за счёт маленьких крючков на самом растении. В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и гражданской одежды.

Как появились «умные» бионические протезы?

Когда человек теряет конечность, то самая главная его мечта – снова ощутить руку или ногу. И не просто ощутить, а выполнять конечностью все движения, доступные до травмы или болезни: взять чашку, зашнуровать ботинки, идти с опорой на обе ноги. Вернуть утраченные возможности позволяет бионический протез, или сложное устройство, улавливающее нервные импульсы. Мало кто знает, что прообраз современных протезов относится еще к 19-му веку, когда в деревянную ногу вставляли металлический шар, чтобы сделать нижнюю часть подвижной.

Как работает простейший бионический протез?

После травмы или в ходе болезни конечность ампутируют. Оставшаяся культя состоит из множества тканей: кожи, мышц, костей, сосудов и нервов. Хирург во время операции выводит сохранившийся двигательный нерв на остающуюся крупную мышцу. После заживления операционной раны нерв может передавать двигательный сигнал. Этот сигнал воспринимает датчик, установленный на протезе. В процессе восприятия нервного импульса участвует сложная компьютерная программа.

Поэтому бионический протез может выполнять только те действия, которые в этой программе прописаны: взять ложку, вилку или шарик, нажать клавишу и тому подобное. По сравнению с отсутствием конечности возможность даже ограниченного числа движения – огромный прогресс. Однако даже самые лучшие и совершенные бионические протезы пока не могут выполнить всех тех мелких и точных движений, на которые способна живая конечность.

Искусственные человеческие «запчасти»

С тех пор как был представлен первый бионический протез, наука ушла далеко вперед. Если первые модели были громоздкими, требовали переключателей и могли выполнять только самые простые движения, то современные образцы трудно назвать протезами. Это элегантные инженерные изделия, словно сошедшие с экрана футуристических фильмов.

Протез абсолютно похож на здоровую руку, им можно писать, держать столовые приборы, руль автомобиля или куриное яйцо. Для совершенства движений иногда используются собственные ткани человека с других участков тела – с ног, например.

Кто первый – природа или люди?

Иногда случается, что-то или иное изобретение человечества уже давно «запатентовано» природой. То есть изобретатели, создавая нечто, не копируют, а придумывают сами технологию или принцип работы, а позже оказывается, что в естественной природе это уже давно существует, и можно было просто подсмотреть, и перенять. Несмотря на колоссальное сходство структуры, учёные самостоятельно изобрели именно такой метод постройки фабричных труб, а уже позже увидели тождество такого строения с природными элементами.

Бионика в архитектуре.

Архитектурно-строительная бионика – особая отрасль бионической науки, задачей которой становится органическое воссоединение архитектуры и природы. В последнее время всё чаще при проектировании современных конструкций обращаются к бионическим принципам, позаимствованным у живых организмов. Сегодня архитектурная бионика стала отдельным архитектурным стилем. Рождалась она с простого копирования форм, а сейчас задачей этой науки стало перенять принципы, организационные особенности и технически их воплотить.

Иногда такой архитектурный стиль называют экостилем. Всё потому, что основные правила бионики – это: поиск оптимальных решений; принцип экономии материалов; принцип максимальной экологичности; принцип экономии энергии. Как видите, бионика в архитектуре – это не только впечатляющие формы, но и прогрессивные технологии, позволяющие создавать сооружение, отвечающие современным требованиям.

Один из ярких примеров архитектурной бионики:“ Ласточкино гнездо” в Тайване

Опираясь на былой опыт в архитектуре и строительстве, можно сказать, что все сооружения человека непрочны и недолговечны, если они не используют законы природы. Бионические здания, помимо удивительных форм и смелых архитектурных решений, обладают стойкостью, способностью выдерживать неблагоприятные природные явления и катаклизмы. В экстерьере зданий, построенных в этом стиле, могут просматриваться элементы рельефов, форм, контуров, умело скопированные инженерами-проектировщиками с живых, природных объектов и виртуозно воплощенные архитекторами-строителями. Если вдруг при созерцании архитектурного объекта покажется, что вы смотрите на произведение искусства, с большой вероятностью перед вами строение в стиле бионика. Примеры таких конструкций можно увидеть практически во всех столицах стран и больших технологически развитых городах мира.

Концепция бионики отнюдь не нова. К примеру, еще 3000 лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века бионика обрела второе дыхание, современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Так, несколько лет назад ученые смогли проанализировать ДНК пауков и создать искусственный аналог шелковидной паутины - кевлар. В этом материале я перечислила несколько перспективных направлений современной бионики и привел самые известные случаи заимствований у природы.

В последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная бионика в основном связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.

Опорные точки:

1)       Бионика – одно из направлений биологии и кибернетики.

Основные положения:

1)       Изучение особенностей строения, функционирования и жизнедеятельности отдельных живых организмов позволяет наиболее полно создавать и разрабатывать человеком новые конструкции, сооружения и приборы.

Вопросы для повторения:

1)       В чем заключается главная особенность бионики?

2)       Примеры живых систем, прототипы которых легли в основу инженерных разработок?

Проблемные области:

1)       Зачем во всех цивилизованных странах мира создаются правительственные экологические структуры и чем, по вашему мнению, они должны руководствоваться в своей деятельности?

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.    Беляев Д.К., Дымшиц Г.М., Кузнецова Л.Н. и др. Биология (базовый уровень). 10 класс. — М., 2014.

2.    Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Козлова Т.А. Биология: учебник для студ. учреждений высш. образования (бакалавриат). — М., 2014.

3.    Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б., Захарова Е.Т. Биология. Общая биология: базовый уровень, 10—11 класс. — М., 2014.

4.        Никитинская Т.В. Биология: карманный справочник. — М., 2015.

5.        Сухорукова Л.Н., Кучменко В.С., Иванова Т.В. Биология (базовый уровень). 10— 11 класс. — М., 2014.

6.        Ионцева А.Ю. Биология. Весь школьный курс в схемах и таблицах. — М., 2014. Лукаткин А.С., Ручин А.Б., Силаева Т.Б. и др. Биология с основами экологии: учебник для студ. учреждений высш. образования. — М., 2014.

7.        Федеральный закон от 29.12.2012 №273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации». Приказ Минобрнауки России от 17.05.2012 № 413 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования».

8.        Приказ Минобрнауки России от 29.12.2014 № 1645 «О внесении изменений в Приказ Министерства образования и науки Российской Федерации от 17.05.2012 № 413 “Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования”».

9.        Письмо Департамента государственной политики в сфере подготовки рабочих кадров и ДПО Минобрнауки России от 17.03.2015 № 06-259 «Рекомендации по организации получения среднего общего образования в пределах освоения образовательных программ среднего профессионального образования на базе основного общего образования с учетом требований федеральных государственных образовательных стандартов и получаемой профессии или специальности среднего профессионального образования».

10.    Биология: в 2 т. / под ред. Н.В.Ярыгина. — М., 2010.

11.    Биология: руководство к практическим занятиям / под ред. В.В.Маркиной. — М., 2010.

12.    Дарвин Ч. Сочинения. — Т. 3. — М., 1939.

13.    Дарвин Ч. Происхождение видов. — М., 2006.

14.    Кобылянский В.А. Философия экологии: краткий курс: учеб. пособие для вузов. — М., 2010.

15.    Орлова Э.А. История антропологических учений: учебник для вузов. — М., 2010. Пехов А.П. Биология, генетика и паразитология. — М., 2010.

16.    Чебышев Н.В., Гринева Г.Г. Биология. — М., 2010.

Интернет-ресурсы

17.         www.sbio.info (Вся биология. Современная биология, статьи, новости, библиотека).

18.         www.window.edu.ru (Единое окно доступа к образовательным ресурсам Интернета по биологии).

19.         www.5ballov.ru/test (Тест для абитуриентов по всему школьному курсу биологии).

20.         www.vspu.ac.ru/deold/bio/bio.htm (Телекоммуникационные викторины по биологии —

21.         экологии на сервере Воронежского университета).

22.         www.biology.ru (Биология в Открытом колледже. Сайт содержит электронный учебник по биологии, On-line тесты).

23.         www.informika.ru (Электронный учебник, большой список интернет-ресурсов).

24.         www.nrc.edu.ru (Биологическая картина мира. Раздел компьютерного учебника, разработанного в Московском государственном открытом университете).

25.         www.nature.ok.ru (Редкие и исчезающие животные России — проект Экологического центра МГУ им. М.В.Ломоносова).

26.         www.kozlenkoa.narod.ru (Для тех, кто учится сам и учит других; очно и дистанционно, биологии, химии, другим предметам).

27.         www.schoolcity.by (Биология в вопросах и ответах).

28.         www.bril2002.narod.ru (Биология для школьников. Краткая, компактная, но достаточно подробная информация по разделам: «Общая биология», «Ботаника», «Зоология», «Человек»).

Краткое описание документа:

Краткий курс лекций по общей биологии дает представление о структуре живой материи, общих законах ее развития, о многообразии жизни и истории ее развития на Земле. Особое внимание уделяется анализу взаимоотношений между организмами и условиями устойчивости экологических систем. Большое место в ряде разделов отведено изложению общебиологических закономерностей как наиболее трудных для понимания; в других разделах приведены только самые необходимые сведения и понятия.

Материал в учебном пособии состоит из разделов, включающих темы; внутри тем – подтемы. После каждого раздела рубрики: «Опорные точки», «Проблемные области», «Вопросы для повторения», «Терминология».

Эти рубрики дают возможность привлечения дополнительной литературы и поэтому они могут использоваться для факультативного или углубленного изучения темы. Завершает каждый раздел перечень «Основных положений», которые необходимы для запоминания.

Сложность и многообразие жизни столь велики, что одни ее явления мы только начинаем понимать, а другие еще ждут изучения. В этом учебном пособии лишь затронуты важные вопросы организации живых систем, их функционирование и развитие.