КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ по учебной дисциплине ОУД.12 Биология

 

Министерство образования и молодежной политики Ставропольского края

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Ставропольский региональный многопрофильный колледж»

 

 

 КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ

по учебной дисциплине ОУД.12 Биология

Кафедра  математических и

естественно- научных дисциплин

г. Ставрополь, 2016

Одобрено кафедрой математических

и естественно-научных дисциплин

Конспекты лекций по учебной  дисциплине ОУД. 12 Биология для студентов технических специальностей и профессий.

Конспекты лекций по учебной  дисциплине  ОУД. 12 Биология разработаны в соответствии с требованиями  ФГОС СОО.

Лекции раскрывают основное содержание учебной дисциплины, являются учебным пособием для более глубокого изучения студентами содержания курса. Могут использоваться  студентами с целью самостоятельного изучения учебной дисциплины, коррекции знаний, при повторении и подготовке к  дифференцированному зачету.

Составитель: Ракчеева Н.А., преподаватель ГБПОУ СРМК, 2016

 

 

 

 

 

Содержание:

1.Химическая организация клетки…………………………………………...4

2. Строение и функции клетки………………………………………….......6

3. Обмен веществ и превращение энергии в клетке……………………….8

4. Размножение организмов……………………………………………….12

5. Индивидуальное развитие организма…………………………………16

6. Законы Г.Менделя……………………………………………………….18

7. Гене­тика пола…………………………………………………………….21

8. Наследственная и модификационная  изменчивость………………….23

9. Селекция растений, животных и микроорганизмов…………………..28

10. Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле……..32

11. История развития эволюционных идей……………………………….34

12. Микроэволюция и макроэволюция…………………………………...36

13. Антропогенез. Человеческие расы. Несостоятельность расизма…...38

14. Предмет экологии. Экологические факторы среды………………….40

15. Биосфера. Охрана биосферы…………………………………………..42

16. Влияние деятельности человека на биосферу………………………..44

17. Бионика…………………………………………………………………..45

Литература…………………………………………………………………...46

 

 

 

 

 

 

 

Лекция №1. Химическая организация клетки

Цель теоретического занятия:  рассмотреть химические вещества, входящие в состав клетки.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1.      Химические вещества клетки

2.      Содержание химических элементов в клетке, %

3.      Роль макроэлементов в клетке

4.      Роль микроэлементов

                                                   Химический состав клетки

 

Неорганические вещества                      Органические вещества

·     Белки

·     Жиры

·     Углеводы

·     Нуклеиновые кислоты

 Вода                 Минеральные вещества

           микроэлементы

                   Органогены   макроэлементы

                                       Химические вещества клетки

неорганические	Содержание, %	органические	Содержание, %
Вода Минеральные вещества	70-80 1,0-1,5	Белки Жиры Углеводы Нуклеиновые кислоты АТФ и др. органические кислоты	10-20 1-5 0,2-2,0 1,0-2,0 0,1-0,5

Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того, что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания. Роль воды в клетке определяется ее свойствами. Свойства эти довольно уникальны и связаны главным образом с малыми размерами молекул воды, с полярностью ее молекул и с их способностью соединяться друг с другом водородными связями.

Биологические функции воды

Транспортная. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение про­дуктов метаболизма.

Метаболическая. Вода является средой для всех биохими­ческих реакций в клетке. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидро­лизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является доно­ром электронов и источником атомов водорода. Она же явля­ется источником свободного кислорода.

Структурная. Цитоплазма клеток содержит от 60 до 95 % воды. У растений вода определяет тургор клеток, а у некото­рых животных выполняет опорные функции, являясь гидро­статическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглоко­жие).

Вода участвует в образовании смазывающих жидкостей (си­новиальная в суставах позвоночных; плевральная в плевраль­ной полости, перикардиальная в околосердечной сумке) и слизей (которые облегчают передвижение веществ по кишеч­нику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спер­мы и др.

                             Содержание химических элементов в клетке, %

органогены	макроэлементы	микроэлементы
Кислород 65-75 Углерод 15-18 Водород 8-10 Азот 1-3	Магний 0,02-0,03 Натрий 0,02-0,03 Кальций 0,04-200 Железо 0,01 – 0,02 Калий 015-0,40 Сера 0,15-0,20 Фосфор 0,20-1,00 Хлор 0,05-0,10	Цинк 0,0003 Медь 0,0002 Йод 0,0001 Фтор 0,0001 Марганец и бор – 0,001-0,000001

Роль макроэлементов в клетке

элемент	функции
магний	Входит в состав ферментов, необходимых для функционирования мышечной, нервной и костной тканей, входит в состав хлорофилла
натрий	Участвует в поддержании сердечного ритма (вместе с ионами калия и кальция), в поддержании биоэлектрического потенциала на мембране клетки
кальций	Входит в состав костей, участвует в образовании желчи, в процессах свёртывания крови
железо	Входит в состав гемоглобина (переносчика кислорода) и миоглобина.
калий	Участвует в проведении нервного импульса, в поддержании сердечного ритма, участвует в поддержании биоэлектрического потенциала на мембране клетки.
сера	Входит в состав серосодержащих аминокислот (цистеин, цистин, метионин), в состав инсулина, витамина В1, биотина.
фосфор	Входит в состав костной ткани, зубной эмали, в состав нуклеиновых кислот и АТФ.

Роль микроэлементов

Фтор – входит в состав костей и эмали зубов.

Марганец – входит в состав ферментов, необходимых для роста костей.

Йод – входит в состав гормона поджелудочной железы – тироксина.

Кобальт – входит в состав витамина В₁₂.

Медь – участвует в темновой фазе фотосинтеза.

Контрольные  вопросы:

1. Перечислить химические вещества, входящие в состав клетки.
2. Охарактеризовать биологические функции воды
3. Охарактеризовать  функции макроэлементов в клетке.
4. Дать характеристику микроэлементов, входящих в состав клетки.

Лекция №2.  Строение и функции клетки

Цель теоретического занятия:  рассмотреть клеточную теория строения организмов, основные органоиды клетки.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1. Клеточная  теория строения организмов.
2. Органоиды клетки.

 Клеточная теория строения организмов.

Клетка служит основой строения растений и животных.  Клетка – это элементарная биологическая система, способная к самообновлению, самовоспроизведению и развитию.

Сама клетка, точнее клеточная оболочка, была открыта в XVII в. английским физиком Р. Гуком. Рассматривая под микроскопом срез пробки, Гук обнаружил, что она состоит из ячеек, разделенных перегородками. Эти ячейки он назвал клетками.

 Долгое время главной частью клетки считали ее оболочку. Лишь в XIX в. ученые обратили внимание на полужидкое студенистое содержимое, заполняющее клетку. В 1831 г. английский ботаник Б. Броун обнаружил в клетках ядро. Это открытие послужило важной предпосылкой для установления сходствa между клетками растений и животных. Немецкий ботаник М. Шлейден доказал, что в любой растительной клетке есть ядро. В конце 30-х годов XIX в. немецкий физиолог Т. Шванн обнаружил, что, хотя клетки животных очень разнообразны и отличаются от растительных, ядра всех клеток очень сходны.

Клеточная теория строения была сформулирована и опубликована Т. Шванном в 1839 г. В настоящее время основные положения клеточной теории формулируются следующим образом:

1) клетка является структурно-функциональной единицей, а также единицей развития всех живых организмов; 2) клеткам присуще мембранное строение; 3) ядро – главная составная часть клетки; 4) клетки размножаются только делением; 5) клеточное строение организма – свидетельство того, что растения и животные имеют единое происхождение.

 Органоиды клетки.

 Цитоплазма.

В цитоплазме находится целый ряд структур, каждая из которых имеет закономерные особенности строения и поведения в различные периоды жизнедеятельности клетки. Каждая из этих структур – органоидов, или органелл, – обладает определенной функцией. Есть органоиды, свойственные всем клеткам, – митохондрии, клеточный центр, аппарат Гольджи, рибосомы, эндоплазматическая сеть, лизосомы, а также органоиды, присущие только определенным типам клеток, – миофибриллы, реснички и ряд других. Органоиды – постоянные, жизненно важные составные части цитоплазмы клеток.

                                          

Схема строения эукариотической клетки:
А – животная, Б – растительная, 1 – ядро с ядрышком,
2 – цитоплазматическая мембрана, 3 – клеточная стенка,
4 – плазмодесма, 5 и 6 – эндоплазматическая сеть,
7 – пиноцитозная вакуоль, 8 – аппарат Гольджи,
9 – лизосома, 10 – жировые включения, 11 – центриоли,
12 – митохондрии, 13 – полирибосомы, 14 – вакуоль,
15 – хлоропласт

Плазматическая мембрана. Оболочка клеток имеет сложное строение. Она состоит из наружного слоя и расположенной под ним плазматической мембраны, которая выполняет след. функции:

1. Оболочка клетки поддерживает форму клетки и придает механическую прочность как клетке, так и организму в целом.

2. Защищает клетку от механических повреждений.

3. Осуществляет узнавание молекулярных сигналов (действие гормонов или других веществ).

4. Регулирует обмен веществ между клеткой и средой (внешней или внутренней средой многоклеточного организма).

Лизосомы- мелкие органоиды сферической формы, размером 0,5-2 мкм. Они образованы мембраной, внутри которой содержатся ферментов, которые осуществляют  гидролиз белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров,  участвуют в удалении отмирающих в процессе жизнедеятельности частей клеток, целых клеток и органов.

Эндоплазматическая сеть-система каналов и полостей, которые соединяются друг с другом и образуют сеть (ЭПС).Известны два ее типа - гранулярная и гладкая. На мембранах каналов и гранулярной сети располагается  мелкие округлые телеца - рибосомы, которые  участвуют в синтезе белка. На мембранах гладкой ЭПС происходит синтез липидов и углеводов.

Рибосомы-органоиды бобовидной формы, состоят из белка и РНК в отношении 1:1. Функция рибосом состоит в том, что в них происходит биосинтез белковых молекул.

Комплекс Гольджи-состоит из цистерн (плоских полых мешочков). Функция комплекса Гольджи – выведение из клетки различных секретов (ферментов, гормонов).

По каналам эндоплазматической сети к нему транспортируются продукты  деятельности клетки - белки, углеводы и жиры.  Эти вещества сначала накапливаются, а затем в виде пузырьков поступают в цитоплазму и  используются в самой клетке в процессе ее жизнедеятельности, либо выводятся из нее и используются в организме.

Ядро. Компоненты ядра: ядерная оболочка, хроматин, ядрышко, кариоплазма

Функции:

1.Контролирует жизнедеятельность клетки, регулируя процессы синтеза белка, обмена веществ и энергии

2.Хранит генетическую информацию, заключенную в ДНК, и передает ее дочерним клеткам в процессе клеточного деления.

Митохондрии. Впервые митохондрии обнаружены в виде гранул в мышечных клетках в 1850 году. Число митохондрий в клетке непостоянно. Наружная мембрана – гладкая, внутренняя – складчатая. Складки – кристы, внутри – матрикс, в нем кольцевая ДНК и рибосомы.

Функции: кислородное расщепление органических веществ с образованием АТФ.

Пластиды:

Лейкопласты — неокрашенные пластиды,  выполняют запасающую функцию. В лейкопластах клубней картофеля накапливается крахмал. Лейкопласты высших растений могут превращаться в хлоропласты или хромопласты.

Хромопласты — пластиды, окрашенные в жёлтый, красный или оранжевый цвет. Окраска хромопластов связана с накоплением в них каротиноидов. Хромопласты определяют окраску осенних листьев, лепестков цветов, корнеплодов, созревших плодов.

Хлоропласты — пластиды, несущие фотосинтезирующие пигменты — хлорофиллы. Имеют зелёную окраску у высших растений  и зелёных водорослей.

 Контрольные вопросы:

1.  Каковы основные положения клеточной  теории строения организмов?
2.  Дать характеристику органоидам клетки.

Лекция №3. Обмен веществ и превращение энергии в клетке

Цель теоретического занятия:  рассмотреть механизмы  обмена веществ и превращение энергии в клетке.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

 

Учебные вопросы:

1.       Процесс фотосинтеза.

2.      Анаэробный гликолиз. Аэробный гликолиз.

Фотосинтез.

 По способу получения энергии все организмы делятся на две группы – автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофы – это организмы, осуществляющие питание (то есть получающие энергию) за счет неорганических соединений. К ним относятся некоторые бактерии и все зеленые растения. В зависимости от того, какой источник энергии используется автотрофными организмами для синтеза органических соединений, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы.

Зеленые растения являются фототрофами. При помощи содержащегося в хлоропластах хлорофилла они осуществляют фотосинтез – преобразование световой энергии в энергию химических связей.

Рисунок 1. Схема процесс фотосинтеза

Фотосинтез. Фотосинтезом называют образование органических (и неорганических) молекул из неорганических за счет использования энергии солнечного света. Этот процесс состоит из двух фаз – световой и темновой (см. рис.1).

В световой фазе кванты света – фотоны – взаимодействуют с молекулами хлорофилла, в результате чего эти молекулы на очень короткое время переходят в более богатое энергией «возбужденное» состояние. Затем избыточная энергия части возбужденных молекул преобразуется в теплоту или испускается в виде света. Другая ее часть передается ионам водорода Н⁺, всегда имеющимся в водном растворе вследствие диссоциации воды: Н₂О → Н⁺ + ОН

Образовавшиеся атомы водорода (Н⁰) непрочно соединяются с органическими молекулами – переносчиками водорода. Ионы гидроксила ОН отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы ОН⁰. Радикалы ОН⁰ взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются вода и молекулярный кислород: 4ОН → О₂ + 2Н₂О

Таким образом, источником молекулярного кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и выделяющегося в атмосферу, является вода, расщепляющаяся в результате фотолиза – разложение воды под влиянием света. Кроме фотолиза воды энергия света используется в световой фазе для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода.

Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений с участием кислорода. Таким путем накапливается энергия, необходимая для процессов, происходящих в темновой фазе фотосинтеза.

В комплексе химических реакций темновой фазы, для течения которых свет не обязателен, ключевое место занимает связывание СО₂. В этих реакциях участвуют молекулы АТФ, синтезированные во время световой фазы, и атомы водорода, образовавшиеся в процессе фотолиза воды и связанные с молекулами-переносчиками:

6СО₂ + 24Н⁰         С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О

Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений.

Как уже отмечалось выше, побочным продуктом фотосинтеза зеленых растений является молекулярный кислород, выделяемый в атмосферу. Свободный кислород в атмосфере является мощным фактором преобразования веществ. Его появление послужило предпосылкой возникновения на нашей планете аэробного типа обмена веществ.

Анаэробный гликолиз. Аэробный гликолиз.

Процессом, противоположным синтезу, является диссимиляция – совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют еще энергетическим обменом клетки или катаболизмом (от греч. katabole – разрушение).

Химическая энергия питательных веществ заключена в различных ковалентных связях между атомами в молекулах органических соединений. При расщеплении глюкозы энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов согласно итоговому уравнению: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6H₂O + 6CO₂ + 2800 кДж 

Часть энергии, освобождаемой из питательных веществ, рассеивается в форме теплоты, а часть аккумулируется, то есть накапливается в богатых энергией фосфатных связях АТФ.Именно АТФ обеспечивает энергией все виды клеточных функций: биосинтез, механическую работу (деление клетки, сокращение мышц), активный перенос веществ через мембраны, поддержание мембранного потенциала в процессе проведения нервного импульса, выделение различных секретов.

Рисунок 1. Схема строения АТФ и превращения её в АДФ

Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис.1). Аденин, рибоза и первый фосфат образуют аденозинмонофосфат (АМФ). Если к первому фосфату присоединяется второй, получается аденозиндифосфат (АДФ). Молекула с тремя остатками фосфорной кислоты (АТФ) наиболее энергоемка. Отщепление концевого фосфата АТФ сопровождается выделением 40 кДж вместо 12 кДж, выделяемых при разрыве обычных химических связей.

Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен обычно делят на три этапа. Первый этап – подготовительный. На этом этапе молекулы ди- и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы – глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты; крупные молекулы нуклеиновых кислот – на нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.

Второй этап – бескислородный, или неполный. Он называется также анаэробным дыханием (гликолизом) или брожением. Термин «брожение» обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетках микроорганизмов или растений. Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов подвергаются дальнейшему расщеплению. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты (С₃Н₄О₃), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С₃Н₆О₃). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.

В суммарном виде это выглядит так:С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ → 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):

С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 2АТФ + 2Н₂О

У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т. д.

Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40 % энергии, а  остальная рассеивается в виде теплоты.

Третий этап энергетического обмена – стадия аэробного дыхания, или кислородного расщепления. Реакции этой стадии энергетического обмена также катализируются ферментами. При доступе кислорода к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до конечных продуктов – Н₂О и СО₂. Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:

2С₃Н₆O₃ + 6O₂ + 36Н₃РО₄ + 36АДФ → 6СО₂ + 38Н₂О + 36АТФ

Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

Контрольные вопросы:

1.      Охарактеризовать процесс фотосинтеза. Какова его биологическая роль?

2.      Дать понятие анаэробного и  аэробного гликолиза.

 

Лекция №4. Размножение организмов.

Цель теоретического занятия:    рассмотреть  различные формы размножения живых организмов, хромосомные наборы соматических и половых  клеток.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1. Различные типы размножения.

2. Хромосомные наборы соматических и половых  клеток.

Известны различные формы размножения, но все они могут быть объединены в два типа – половое и бесполое.

Половым размножением называют смену поколений и развитие организмов на основе специализированных – половых – клеток, образующихся в половых железах. В эволюции полового размножения наиболее прогрессивным оказался способ, благодаря которому новый организм развивается в результате слияния двух половых клеток, образованных разными родителями. Однако у беспозвоночных животных нередко сперматозоиды и яйцеклетки формируются в теле одного организма. Такое явление – обоеполость – называется гермафродитизмом.

Известны случаи, когда новый организм не обязательно появляется в результате слияния половых клеток. У некоторых видов животных и растений наблюдается развитие из неоплодотворенной яйцеклетки. Такое размножение называется девственным или партеногенетическим.

Бесполое размножение характеризуется тем, что новая особь развивается из неполовых, соматических (телесных) клеток. Рассмотрим подробнее оба типа размножения.

Бесполое размножение

При бесполом размножении новый организм может возникнуть из одной клетки или из нескольких неполовых (соматических) клеток материнской особи. Многие простейшие (амеба, эвглена зеленая и др.), одноклеточные водоросли (хламидомонада) размножаются путем обычного митотического деления клетки. Другим одноклеточным – некоторым низшим грибам, водорослям (хлорелла), животным, например малярийному плазмодию (возбудителю малярии), свойственно спорообразование. Оно заключается в том, что клетка распадается на большое число особей, равное количеству ядер, заранее образованных в родительской клетке в результате многократного деления ее ядра.

Рисунок 1. Почкование дрожжевых грибов

Как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов способом бесполого размножения служит также почкование. Например, у дрожжевых грибов (рис. 1) и некоторых инфузорий (сосущие инфузории) почкование заключается в том, что на материнской клетке первоначально образуется небольшой бугорок, содержащий ядро, – почка. Она растет, достигает размеров, близких к материнским, и затем отделяется, переходя к самостоятельному существованию. У многоклеточных (пресноводная гидра) почка состоит из группы клеток обоих слоев стенки тела. Почка растет, удлиняется, на переднем ее конце появляется ротовое отверстие, окруженное щупальцами. Почкование завершается образованием маленькой гидры, которая затем отделяется от материнского организма (рис. 2).

У многоклеточных животных бесполое размножение осуществляется также путем деления тела на две части (медузы, кольчатые черви) или же путем фрагментации тела на несколько частей (плоские черви, иглокожие). Из таких частей развиваются полноценные особи.

 

Рисунок 2.Почкование у гидры: 1 – материнский организм, 2 – почки

У растений широко распространено вегетативное размножение, то есть размножение частями тела: черенками, усами, клубнями (рис.3).

Так, у картофеля для размножения служат видоизмененные подземные части стебля – клубни. У жасмина, ивы легко укореняются побеги – черенки. С помощью черенков размножают виноград, смородину. Длинные ползучие побеги земляники – усы – образуют почки, которые, укореняясь, дают начало новому растению.

Для вегетативного размножения используют также корень. В садоводстве с помощью черенков из боковых корней размножают малину, вишню, сливу, розы. Корневыми клубнями размножаются георгины. Видоизменение подземной части стебля – корневище – также образует новые растения. Например, осот за счет корневища может дать до 1800 новых особей на 1 м² почвы.

Рисунок 3. Вегетативное размножение растений: А – ползучими побегами (усами), Б – подземными клубнями, В – корневище осоки, Г – части побегов элодеи

Бесполое размножение, эволюционно возникшее раньше полового, – весьма эффективный процесс. С его помощью в благоприятных условиях численность вида может быстро увеличиваться.

Однако при любых формах бесполого размножения все потомки имеют генотип, идентичный материнскому. Вспомните митоз. В интерфазе происходит абсолютно точное удвоение генетического материала клетки, в результате которого при делении каждая из дочерних клеток получает наследственную информацию, сходную с таковой у материнской клетки. Поскольку все соматические клетки организма возникли путем митоза, а именно из них и развивается новый организм, становится понятным, почему все особи при бесполом размножении генетически сходны – оно не сопровождается повышением генетического разнообразия. Новые признаки, которые могут оказаться полезными при изменении условий среды, появляются только в результате относительно редких мутаций.

 Половое размножение

Половое размножение имеет очень большие эволюционные преимущества по сравнению с бесполым. Это обусловлено тем, что генотип потомков возникает путем комбинации генов, принадлежащих обоим родителям. В результате повышаются возможности организмов в приспособлении к условиям окружающей среды. Поскольку новые комбинации осуществляются в каждом поколении, то приспособленными к новым условиям существования может оказаться гораздо большее количество особей, чем при бесполом размножении. Появление новых комбинаций генов обеспечивает более успешное и быстрое приспособление вида к меняющимся условиям обитания.

Таким образом, сущность полового размножения заключается в объединении в наследственном материале потомка генетической информации из двух разных источников – родителей.

У обоеполых животных и растений существуют приспособления, предотвращающие самооплодотворение. У плоских червей – планарий и у кольчатых – дождевых червей наблюдается спаривание между разными особями. У растений самоопыление исключается в случае их однополости. Когда же развиваются обоеполые цветки, тычинки и пестики созревают неодновременно, что и делает возможным только перекрестное опыление.

Развитие половых клеток (гаметогенез). В половых железах развиваются половые клетки – гаметы. Мужские – сперматозоиды – в семенниках и женские – яйцеклетки (или яйца) – в яичниках. В первом случае путь их развития называют сперматогенезом, во втором – овогенезом (от лат. ovum – яйцо).

Разделение полов имеет очевидные эволюционные преимущества. Раздельнополость создает возможность специализации родителей по строению и поведению, а возникновение нового эволюционного фактора – полового отбора – способствует развитию различных форм заботы о потомстве. При этом самцы могут играть большую роль в охране семьи, охоте, а также участвовать в конкуренции за самку – половом отборе.

В процессе образования половых клеток – как сперматозоидов, так и яйцеклеток – выделяют ряд стадий (рис. 1). Первая стадия – период размножения, в котором первичные половые клетки делятся путем митоза, в peзультате чего увеличивается их количество. При сперматогенезе размножение первичных половых клеток очень интенсивное, оно начинается с наступления половой зрелости и протекает в течение всего репродуктивного периода, то есть времени, когда животное может участвовать в половом размножении, и постепенно затухает лишь к старости. Размножение женских первичных половых клеток у низших позвоночных также продолжается почти всю жизнь. У млекопитающих, в том числе и у человека, эти клетки с наибольшей интенсивностью размножаются лишь во внутриутробном периоде развития плода и сохраняются в состоянии покоя до полового созревания.

Рисунок 1. Схема гаметогенеза.

Второй период – период роста. У незрелых мужских гамет он выражен нерезко. Их размеры увеличиваются незначительно. Напротив, будущие яйцеклетки – овоциты – увеличиваются в размерах иногда в сотни, а чаще в тысячи и даже миллионы раз. У одних животных овоциты растут очень быстро – в течение нескольких дней или недель, у других видов рост продолжается месяцы и годы. Рост овоцитов осуществляется за счет веществ, образуемых другими клетками организма. Например, у рыб, амфибий и в большей степени у рептилий и птиц основную массу яйца составляет желток. Он синтезируется в печени, в особой растворимой форме переносится кровью в яичник, проникает в растущие овоциты и откладывается там в виде желточных пластинок. Кроме того, в самой будущей половой клетке синтезируются многочисленные белки и большое количество разнообразных РНК: транспортных, рибосомальных и информационных. Желток – совокупность питательных веществ (жиров, белков, углеводов, витаминов и др.), необходимых для питания развивающегося зародыша, а РНК обеспечивает синтез белков на ранней стадии развития, когда собственная наследственная информация еще не используется.

Следующий период – период созревания, или мейоз. Клетки, вступающие в период созревания, содержат диплоидный набор хромосом и уже удвоенное количество ДНК (2n4c). В процессе полового размножения у организмов любого вида из поколения в поколение сохраняется свойственное ему число хромосом. Это достигается тем, что перед слиянием половых клеток – оплодотворением – в процессе созревания в них уменьшается (редуцируется) число хромосом, то есть из диплоидного набора (2n) образуется гаплоидный (1n). Закономерности прохождения мейоза в мужских и женских половых клетках по существу одинаковы. Поэтому сначала рассмотрим общие черты этого процесса, а затем остановимся на конкретных особенностях, характерных для сперматогенеза и овогенеза.

Контрольные вопросы:

1. Охарактеризовать  различные типы размножения живых организмов.

2.  Каковы хромосомные наборы соматических и половых  клеток?

3. Какой процесс называется  процессом оплодотворения?

Лекция №5.Индивидуальное развитие организма

Цель теоретического занятия:  рассмотреть стадии индивидуального развития организма.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1.      Индивидуальное развитие организмов (онтогенез)

2.      Стадии онтогенеза.

Индивидуальное развитие организмов (онтогенез)

    Развитие организма начинается с одноклеточной стадии. Оплодотворенное яйцо – клетка и в то же время уже организм на самой ранней стадии его развития. В результате многократных делений одноклеточный организм превращается в многоклеточный. Возникшее при оплодотворении путем слияния сперматозоида и яйцеклетки ядро обычно уже через несколько минут начинает делиться, вместе с ним делится и цитоплазма. Образующиеся клетки, еще сильно отличающиеся от клеток взрослого организма, называются бластомерами (от греч. blastos – зародыш, meros – часть). При делении бластомеров размеры их не увеличиваются, поэтому процесс деления носит название дробления. Вдавления цитоплазмы, образующиеся при делении цитоплазмы одной клетки на две, получили название борозд дробления. В период дробления накапливается клеточный материал для дальнейшего развития.

Первая борозда дробления проходит в меридиональной плоскости, соединяющей оба полюса – вегетативный и анимальный, и делит зиготу на две одинаковые клетки. Это стадия двух бластомеров. Вторая борозда также меридиональна, но перпендикулярна первой. Она разделяет оба бластомера, возникших в результате первого деления, надвое – образуются четыре сходных бластомера.

Следующая, третья, борозда дробления – широтная. Она пролегает несколько выше экватора и делит все четыре бластомера сразу на восемь клеток. В дальнейшем борозды дробления чередуются: вслед за широтными идут меридиональные, затем вновь широтные и т. д. По мере увеличения числа клеток деление их становится неодновременным. Бластомеры все дальше и дальше отходят от центра зародыша, образуя полость. В конце дробления зародыш принимает форму пузырька со стенкой, образованной одним слоем клеток, тесно прилегающих друг к другу. Внутренняя полость зародыша, первоначально сообщавшаяся с внешней средой через щели между бластомерами, в результате их плотного смыкания становится совершенно изолированной. Эта полость носит название первичной полости тела – бластоцеля. Завершается дробление образованием однослойного многоклеточного зародыша – бластулы.

Все клетки в бластуле имеют диплоидный набор хромосом, одинаковы по строению и отличаются друг от друга главным образом пo количеству содержащегося в них желтка. Такие клетки, не имеющие признаков специализации и неприспособленные для выполнения определенных функций, называют неспециализированными, недифференцированными, клетками.

Рисунок 1 Гаструляция у ланцетника, А – бластула, Б, В, Г – гаструляция, 1 – эктодерма, 2 – энтодерма

Еще одна важная черта дробления – то, что цитоплазма зиготы при делении не перемещается. Эти и ряд других различий в организации цитоплазмы яйца создают основу для дифференцировки клеток, вследствие которой из разных клеток бластулы образуются те или иные органы и ткани.

Бластула, как правило, состоящая из большого числа бластомеров (например, у ланцетника из 3000 клеток), в процессе развития переходит в новую стадию, которая называется гаструлой (от греч. gaster – желудок). Зародыш на этой стадии состоит из явно разделенных пластов клеток, так называемых зародышевых листков: наружного, или эктодермы (от греч. ectos – находящийся снаружи), и внутреннего, или энтодермы (от греч. еntos – находящийся внутри). Совокупность процессов, приводящих к образованию гаструлы, называется гаструляцией.

Рисунок 2 Зародышевые листки

У многоклеточных животных, кроме кишечнополостных, параллельно с гаструляцией или, как у ланцетника, вслед за ней возникает и третий зародышевый листок – мезодерма (от греч. mesos – находящийся посередине), который представляет собой совокупность клеточных элементов, расположенных между экто- и энтодермой в первичной полости тела. Вследствие появления мезодермы зародыш становится трехслойным (рис.2).

Таким образом, сущность процесса гаструляции заключается в перемещении клеточных масс. Клетки зародыша практически не делятся и не растут.

Однако на этой стадии начинается использование генетической информации клеток зародыша, появляются первые признаки дифференцировки.

Дифференцировка, или дифференцирование, – это процесс возникновения и нарастания структурных и функциональных различий между отдельными клетками и частями зародыша. С морфологической точки зрения дифференцирование выражается в том, что образуются несколько сотен типов клеток специфического строения, отличающихся друг от друга. С биохимической точки зрения специализация клеток заключается в синтезе определенных белков, свойственных только данному типу клеток. В коже, в клетках эпителия, синтезируется кератин, в эритроцитах – гемоглобин, в клетках островковой ткани поджелудочной железы – инсулин и т. д. Биохимическая специализация клеток обеспечивается дифференциальной активностью генов, то есть в клетках разных зародышевых листков – зачатков определенных органов и систем – начинают функционировать разные группы генов.

При дальнейшей дифференцировке клеток, входящих в состав зародышевых листков, из эктодермы образуются нервная система, органы чувств, эпителий кожи, эмаль зубов; из энтодермы – эпителий средней кишки, пищеварительные железы – печень и поджелудочная железа, эпителий жабр и легких; из мезодермы – мышечная ткань, соединительная ткань, кровеносная система, почки, половые железы и др.

У разных видов животных одни и те же зародышевые листки дают начало одним и тем же органам и тканям. Это значит, что они гомологичны. Гомология зародышевых листков подавляющего большинства животных – одно из доказательств единства животного мира.

Контрольные  вопросы:

1.      Какие стадии индивидуального развитие организма вы знаете?

2.      Охарактеризовать процесс дифференцировки клеток.

Лекция№6.Законы Менделя

Цель теоретического занятия:  дать понятие наследственности и изменчивости организмов, рассмотреть первый закон Менделя – закон единообразия первого поколения гибридов и второй закон (расщепления).

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

 

Учебные вопросы:

1. 1-й закон Менделя – закон единообразия первого поколения гибридов.
2. 2-й закон Менделя (закон расщепления).

Генетика изучает два фундаментальных свойства живых организмов – наследственность и изменчивость.

Обычно наследственность определяется как свойство родителей передавать свои признаки, свойства и особенности развития следующему поколению.

Благодаря этому каждый вид животных или растений сохраняет на протяжении поколений характерные для него черты.

Клетки, через которые осуществляется преемственность поколений, – специализированные половые при половом размножении и клетки тела – соматические при бесполом – несут в себе не сами признаки и свойства будущих организмов, а только задатки их развития. Эти задатки получили название генов.

Геном является участок молекулы ДНК (или участок хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака, или синтез одной белковой молекулы. Совокупность всех генов одного организма называют генотипом.

В пределах одного вида все организмы не похожи друг на друга. Эта изменчивость хорошо видна, например, в пределах вида Человек разумный, каждый представитель которого имеет свои индивидуальные особенности. Подобная индивидуальная изменчивость существует у организмов любого вида животных и растений.

Таким образом, изменчивость – это свойство организмов, как бы противоположное наследственности.

Изменчивость заключается в изменении наследственных задатков – генов и, как следствие, в изменении их проявления в процессе развития организмов.

Существуют разные типы изменчивости. Изучением причин, форм изменчивости и ее значения для эволюции также занимается генетика. При этом исследователи имеют дело не непосредственно с генами, а с результатами их проявления – признаками или свойствами. Поэтому закономерности наследственности и изменчивости изучают, наблюдая в ряду поколений за признаками организмов.

Совокупность всех признаков организмов называют фенотипом.

 Первый закон Менделя – закон единообразия первого поколения гибридов.

Для иллюстрации первого закона Менделя – закона единообразия первого поколения – воспроизведем опыты ученого по моногибридному скрещиванию растений гороха. Скрещивание двух организмов называют гибридизацией; потомство от скрещивания двух особей с различной наследственностью называют гибридным, а отдельную особь – гибридом. Моногибридным называют скрещивание двух организмов, отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных (взаимоисключающих) признаков. Следовательно, при таком скрещивании прослеживаются закономерности наследования только двух вариантов одного признака, развитие которого обусловлено парой аллельных генов. Например, признак – цвет семян, взаимоисключающие варианты – желтый или зеленый. Все остальные признаки, свойственные данным организмам, во внимание не принимаются и в расчетах не учитываются.

Если скрестить растения гороха с желтыми и зелеными семенами, то у всех полученных в результате этого скрещивания потомков – гибридов – семена будут желтыми. Такая же картина наблюдается при скрещивании растений, имеющих гладкую и морщинистую форму семян, а именно у гибридов семена будут гладкими.

Следовательно, у гибрида первого поколения из каждой пары альтернативных признаков проявляется только один. Второй признак как бы исчезает, не развивается. Преобладание у гибрида признака одного из родителей Г. Мендель назвал доминированием. Признак, проявляющийся у гибрида первого поколения и подавляющий развитие другого признака, был назван доминантным (от лат. dominantis – господствующий); противоположный, то есть подавляемый, признак – рецессивным (от лат. recessus – отступление, удаление). Доминантный признак принято обозначать прописной буквой, например «А». Рецессивный – строчной – «а».

Теперь можно сделать вывод: если в генотипе организма (зиготы) есть два одинаковых аллельных гена, то есть два абсолютно идентичных по последовательности нуклеотидов гена, такой организм называют гомозиготным. Организм может быть гомозиготным по доминантным (АА или ВВ) или по рецессивным генам (аа или bb). Если же аллельные гены отличаются друг от друга по последовательности нуклеотидов, например один из них доминантный, а другой рецессивный (Аа, Вb), такой организм носит название гетерозиготного.

Закон единообразия гибридов первого поколения – первый закон Менделя – называют также законом доминирования, так как все особи первого поколения имеют одинаковое проявление признака. Сформулировать его можно следующим образом: при скрещивании двух организмов, относящихся к разным чистым линиям (двух гомозиготных организмов), отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все первое поколение гибридов (F₁) окажется единообразным и будет нести признак одного из родителей.

Второй закон Менделя (закон расщепления)

Если потомков первого поколения, одинаковых по изучаемому признаку, скрестить между собой, то во втором поколении признаки обоих родителей появляются в определенном числовом соотношении: 3/4 особей будут иметь доминантный признак, 1/4 – рецессивный.

Явление, при котором скрещивание гетерозиготных особей приводит к образованию потомства, часть которого несет доминантный признак, а часть – рецессивный, называется расщеплением.

Следовательно, расщепление – это распределение доминантных и рецессивных признаков среди потомства в определенном числовом соотношении. Рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчезает, а только подавляется и проявляется во втором гибридном поколении.

Таким образом, второй закон Менделя можно сформулировать следующим образом: при скрещивании двух потомков первого поколения между собой (двух гетерозиготных особей) во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом соотношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1.

Рисунок 1. 25% гомозиготных доминантных; 50% гетерозиготных; 25% гомозиготных рецессивных.

При неполном доминировании в потомстве гибридов (F₂) расщепление по генотипу и фенотипу совпадает (1:2:1).

 Контрольные вопросы:

1.В чем сущность закона единообразия первого поколения гибридов (1-й закон Менделя)?

2.В чем сущность  и значение 2-го закона Менделя (закона расщепления)?

 

Лекция №7. Генетика пола.

Цель теоретического занятия:  дать понятие генотипа,  генетики пола,  рассмотреть вопросы наследование признаков, сцепленных с полом.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1. Генетика пола.
2. Наследование признаков, сцепленных с полом.

Гены представляют собой структурные и функциональные единицы наследственности. В перечисленных выше примерах гены ведут себя действительно как отдельные единицы, то есть каждый из них определяет развитие одного какого-то признака, независимого от других. Поэтому может сложиться впечатление, что генотип – механическая совокупность генов, а фенотип – мозаика отдельных признаков. На самом деле это не так. Если и отдельная клетка, и организм являются целостными системами, где все биохимические и физиологические процессы строго согласованы и взаимосвязаны, то прежде всего потому, что генотип – это система взаимодействующих генов.

Взаимодействуют друг с другом как аллельные, так и неаллельные гены, расположенные в различных локусах одних и тех же и разных хромосом.

Генетика пола.

Пол у животных чаще всего определяется в момент оплодотворения. В этом случае важнейшая роль в генетическом определении пола принадлежит хромосомному набору зиготы.

Вспомним, что в наборе хромосом зиготы содержатся парные – гомологичные хромосомы, одинаковые по форме, размерам и содержащие одинаковые гены. На рисунке 3 изображен хромосомный набор человека – женщины и мужчины. В женском кариотипе все хромосомы парные. В мужском кариотипе всегда имеется одна крупная равноплечая непарная хромосома, не имеющая гомолога, и маленькая палочковидная хромосома, встречающаяся только в кариотипе мужчин. Таким образом, кариотип человека содержит 22 пары хромосом, одинаковых у мужского и женского организма, и одну пару хромосом, по которой различаются оба пола. Хромосомы, одинаковые у обоих полов, называют аутосомами. Хромосомы, по которым мужской и женский пол отличаются друг от друга, называют половыми. Половые хромосомы у женщин одинаковы, их называют Х-хромосомами. У мужчин имеется X-хромосома и одна Y-хромосома. При созревании половых клеток в результате мейоза гаметы получают гаплоидный набор хромосом. При этом все яйцеклетки имеют по одной Х-хромосоме. Пол, который образуют гаметы, одинаковые по половой хромосоме, называют гомогаметным и обозначается XX.

При сперматогенезе получаются гаметы двух сортов: половина несет Х-хромосому, половина – Y-хромосому.

Пол, который формирует гаметы, неодинаковые по половой хромосоме, называют гетерогаметным и обозначают как XY.

У человека, дрозофилы и ряда других организмов гомогаметен женский пол; у бабочек, пресмыкающихся, птиц – мужской. Кариотип петуха обозначают как XX, а кариотип курицы – XY.

У человека решающую роль в определении пола играет Y-хромосома. Если яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, несущим Х-хромосому, развивается женский организм. Следовательно, женщины имеют одну Х-хромосому от отца и одну Х-хромосому от матери. Если яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, несущим Y-хромосому, развивается мужской организм. Мужчина (XY) получает Х-хромосому только от матери. Этим обусловлена особенность наследования генов, расположенных в половых хромосомах.

 Наследование признаков, сцепленных с полом.

 Наследование признаков, гены которых находятся в Х- или Y-хромосомах, называют наследованием, сцепленным с полом. Таким образом, сцеплением генов с полом называют локализацию генов в половой хромосоме. Распределение этих генов в потомстве должно соответствовать распределению половых хромосом в мейозе и их сочетанию при оплодотворении. Рассмотрим наследование генов, расположенных в Х-хромосоме. Следует иметь в виду, что в половых хромосомах могут находиться и гены, не участвующие в развитии половых признаков. Так, Х-хромосома дрозофилы включает ген, от которого зависит окраска глаз. Х-хромосома человека содержит ген, определяющий свертываемость крови (Н). Его рецессивная аллель (h) вызывает тяжелое заболевание – гемофилию. В этой же хромосоме находятся гены, обусловливающие слепоту к красному и зеленому цвету (дальтонизм), форму и размер зубов, синтез ряда ферментов и т. д.

В отличие от генов, локализованных в аутосомах, при сцеплении с полом может проявиться и рецессивный ген, имеющийся в генотипе в единственном числе. Это происходит в тех случаях, когда рецессивный ген, сцепленный с Х-хромосомой, попадает в гетерогаметный организм. При кариотипе XY рецессивный ген в Х-хромосоме проявляется фенотипически, поскольку Y-хромосома негомологична Х-хромосоме и не содержит доминантной аллели. Наследование сцепленного с полом гена дальтонизма изображено в схеме (на рисунке 1 не показаны аутосомы, поскольку по ним нет различий между мужским и женским организмом).

 Рисунок 1.

Наследование гемофилии представлено на следующей схеме на примере брака женщины – носительницы гена гемофилии (XHXh) со здоровым мужчиной.

Рисунок 2.

Н – нормальная свертываемость, h – гемофилия. Половина мальчиков от такого брака будет страдать гемофилией.

При локализации гена в Y-хромосоме признаки передаются только от отца к сыну.

Контрольные вопросы:

1. Дать понятие генетики пола.
2. Каковы  способы наследования признаков, сцепленных с полом?

Лекция № 8.Наследственная и модификационная  изменчивость.

Цель теоретического занятия:  рассмотреть  вопросы модификационной и мутационной изменчивости.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1.  Модификационная изменчивость.

 2. Мутационная изменчивость.

Модификационная изменчивость.

На проявление гена значительное влияние оказывают другие гены, то есть выражение гена в виде признака зависит от генотипической среды. На развитие признака влияют и регуляторные системы организма, в первую очередь эндокринная. Такие признаки у петухов, как яркое оперение, большой гребень, характер пения и тембр голоса, обусловлены действием мужского полового гормона. Введение же петухам женских половых гормонов включает гены, обусловливающие синтез в печени белков, входящих в состав желтка яйцеклетки. В норме эти гены «работают» только у кур. Следовательно, внутренняя среда организма также оказывает сильное влияние на проявление генов в форме признака.

Рисунок 1.Фенотипическое изменение окраски шерсти гималайского кролика под влиянием различных температур.

Каждый организм развивается и обитает в определенных внешних условиях, испытывая на себе действие факторов внешней среды – колебаний температуры, освещенности, влажности, количества и качества пищи, а также вступает во взаимоотношения с другими организмами. Все эти факторы могут изменять морфологические и физиологические свойства организмов, то есть их фенотип.

Если у гималайского кролика (рис. 1-А) на спине выщипать белую шерсть и поместить его в холод (или наложить холодную повязку) (рис. 1-Б), на этом месте вырастет черная шерсть (рис. 1-В). Если черную шерсть удалить и наложить теплую повязку, вырастет белая шерсть. При выращивании гималайского кролика при температуре 30 °С вся шерсть у него будет белая. У потомства двух таких белых кроликов, выращенного в нормальных условиях, будет обычное распределение пигмента.

Таким образом, изменения признаков, вызванные действием факторов внешней среды, не наследуются.

Отметим еще одну особенность изменчивости, вызванную факторами внешней среды. Листья одного и того же растения стрелолиста (рис. 2) или водяного лютика имеют разную форму в зависимости от того, находятся ли они в воде или в воздушной среде. У всех стрелолистов в воде будут длинные тонкие листья, а у всех лютиков – изрезанные. Точно так же под действием ультрафиолетовых лучей у всех людей, если они не альбиносы, возникает загар – накопление в коже гранул пигмента меланина, хотя и в неодинаковой степени. Таким образом, на действие определенного фактора внешней среды каждый вид организмов реагирует специфически и реакция (в форме изменения признака) оказывается сходной у всех особей данного вида.

Это обстоятельство позволило Ч. Дарвину назвать ненаследственную изменчивость групповой или определенной. Вместе с тем изменчивость признака под влиянием условий внешней среды не беспредельна.

.

Рисунок.2.Стрелолист образует разные по форме листья при развитии в воздушной среде (1), на поверхности воды (2) и в воде (3)

К наследственной изменчивости относят такие изменения признаков организма, которые определяются генотипом и сохраняются в ряду поколений. Иногда это крупные, хорошо заметные изменения, например коротконогость у овец (рис. 1), отсутствие оперения у кур (рис. 2, 3), раздвоенные пальцы у кошек, отсутствие пигмента (альбинизм), короткопалость у человека (рис. 4). Вследствие внезапных изменений, стойко передающихся по наследству, возникли карликовый сорт душистого горошка, растения с махровыми цветками. Чаще же это мелкие, едва заметные уклонения от нормы. Наследственные изменения генетического материала называют мутациями.

Дарвин называл наследственную изменчивость неопределенной, индивидуальной изменчивостью, подчеркивая тем самым ее случайный, ненаправленный характер и относительную редкость возникновения.

 Мутационная изменчивость.

Мутации возникают вследствие изменения структуры гена (то есть последовательности нуклеотидов в ДНК) или хромосом и служат единственным источником генетического разнообразия внутри вида. Благодаря постоянному мутационному процессу возникают различные варианты генов, составляющие резерв наследственной изменчивости. Однако бесконечное разнообразие живых организмов, уникальность каждого генотипа обусловлена комбинативной изменчивостью – перегруппировкой хромосом в процессе полового размножения и участков хромосом в процессе кроссинговера. При этом типе изменчивости структура самих генов и хромосом остается такой же, но меняются сочетания наследственных задатков и характер их взаимодействия в генотипе.

Рисунок 1. Анконская мутация у овец. Справа и в центре – коротконогие баран и овца, слева – овца с нормальными ногами

Классификация мутаций. Мутации можно объединять в группы – классифицировать по характеру проявления, по месту или по уровню их возникновения. Принципиальной разницы между мутациями, отнесенными к той или иной группе, нет, так как их объединяют исходя из соображений удобства.

Мутации по характеру проявления бывают доминантными и рецессивными (рис. 2). Большинство из них рецессивны и не проявляются у гетерозигот. Это обстоятельство очень важно для существования вида. Мутации оказываются, как правило, вредными, поскольку вносят нарушения в тонко сбалансированную систему биохимических превращений. Обладатели вредных доминантных мутаций, сразу же проявляющихся в гомо- и гетерозиготном организме, часто оказываются нежизнеспособными и погибают на самых ранних этапах онтогенеза.

Рисунок 2.Брахидактилия у человека: А – внешний вид руки, Б – рентгенограмма, показывающая, что короткопалость обусловлена слиянием двух фаланг пальцев.

При изменении условий внешней среды, в новой обстановке, некоторые ранее вредные рецессивные мутации, составляющие резерв наследственной изменчивости, могут оказаться полезными, и носители таких мутаций получают преимущество в процессе естественного отбора.

Мутации нередко понижают жизнеспособность (рис. 4) или плодовитость. Мутации, резко снижающие жизнеспособность, частично или полностью останавливающие развитие, называют полулетальными, а несовместимые с жизнью – летальными. У человека к таким мутациям относится рецессивный ген гемофилии, причем у мужчин он носит полулетальный характер, а гомозиготные женщины оказываются нежизнеспособными.

Мутации подразделяют по месту их возникновения. Мутация, возникшая в половых клетках, не влияет на признаки данного организма, а проявляется только в следующем поколении. Такие мутации называют генеративными. Если изменяются гены в соматических клетках, такие мутации проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении. Но при бесполом размножении, если организм развивается из клетки или группы клеток, имеющих изменившийся – мутировавший – ген, мутации могут передаваться потомству. Такие мутации называют соматическими. В растениеводстве соматические мутации используются для выведения новых сортов культурных растений. Пример соматической мутации у млекопитающих – изредка встречающееся черное пятно на фоне коричневой окраски шерсти у каракулевых овец.

Рисунок 5. Семена ржи. Слева – диплоидный сорт (2n = 14), справа – тетраплоидный сорт (4n = 18)

Мутации классифицируют и по уровню их возникновения

1. Изменения, обусловленные заменой одного или нескольких нуклеотидов в пределах одного гена, называют генными или точковыми мутациями. Они влекут за собой изменения структуры строения белков, заключающиеся в появлении новой последовательности аминокислот в полипептидной цепи, и, как следствие, изменения функциональной активности белковой молекулы.
2. Изменения структуры хромосом называют хромосомными мутациями. Эти мутации могут возникать вследствие утраты части хромосомы. Если в утраченный участок входят жизненно важные гены, то такая мутация может привести организм к гибели. Потеря небольшой части 21-й хромосомы у человека служит причиной развития у детей тяжелого заболевания – острого лейкоза. В других случаях оторвавшийся участок может присоединиться к негомологичной хромосоме, в результате чего возникает новая комбинация генов, изменяющая характер их взаимодействия.
3. К мутациям относятся также изменения кариотипа, кратные или некратные гаплоидному числу хромосом. Вследствие нерасхождения какой-либо пары гомологичных хромосом в мейозе одна из образовавшихся гамет содержит на одну хромосому меньше, а другая на одну хромосому больше, чем в нормальном гаплоидном наборе анэуплоидия. Слияние с нормальной гаплоидной гаметой при оплодотворении приводит к образованию зиготы с меньшим или большим числом хромосом по сравнению с диплоидным набором, характерным для данного вида. В таких случаях нарушение генного баланса сопровождается нарушением развития. Известный пример – болезнь Дауна у человека, причина которой – присутствие в кариотипе трех хромосом 21-й пары.

Свойства мутаций

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.
2. Мутации наследственны, то есть стойко передаются из поколения в поколение.
3. Мутации случайны и ненаправленны – мутировать может любой ген, вызывая изменение как незначительных, так и жизненно важных признаков.
4. Одни и те же мутации могут возникать повторно.
5. По своему проявлению мутации могут быть полезными и вредными, доминантными и рецессивными.

Способность к мутированию – одно из свойств гена. Каждая отдельная мутация вызывается какой-то причиной, но в большинстве случаев эти причины неизвестны. Мутации связаны с изменениями во внешней среде. Это убедительно доказывается тем, что путем воздействия внешними факторами удается резко повысить их число.

Впервые в опыте резкое повышение частоты наследственных изменений было получено с помощью рентгеновских лучей. Под их влиянием число возникающих мутаций удалось повысить более чем в 150 раз. Экспериментально мутации вызваны у самых разных организмов: от бактерий и вирусов до цветковых растений и млекопитающих. Кроме лучей рентгена и других форм ионизирующей радиации мутации могут быть обусловлены химическими и физическими воздействиями: температурой, изменением газового режима, влажности и т. п. Влияния, затрагивающие процессы обмена веществ, особенно синтез ДНК, оказывают действие и на мутационный процесс.

Контрольные вопросы:

1.      Привести пример фенотипического изменения признака  под влиянием различных температур.

2.      Привести классификацию мутаций.

3.      Каковы свойства мутаций?

Лекция №9. Селекция растений, животных и микроорганизмов.

Цель теоретического занятия:  дать понятие практического воплощения законов наследственности и изменчивости как способа выведения полезных для человека пород и сортов организмов.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1.Селекция.

2.Отбор и гибридизация.

3. Искусственный отбор.

4. Результаты селекции.

5. Центры многообразия и происхождения культурных растений.

 Селекция

Селекция (от лат. selесtiо – отбор) представляет собой науку о создании новых и улучшении существующих пород домашних животных и сортов культурных растений. Вместе с тем под селекцией понимают и сам процесс изменения живых организмов, осуществляемый человеком для своих потребностей.

Основная задача селекции - создание высокопродуктивных пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов, наилучшим образом удовлетворяющих пищевые и технические потребности человека.

Породой и сортом (чистой линией) называют популяцию организмов, искусственно созданную человеком, которая характеризуется специфическим генофондом, наследственно закрепленными морфологическими и физиологическими признаками, определенным уровнем и характером продуктивности. Каждой породе или сорту свойственна присущая ему норма реакции. Так, куры породы белый леггорн отличаются высокой яйценоскостью. Улучшение условий их содержания и кормления сопровождается повышением яйценоскости, а масса практически не меняется. Фенотип (в том числе продуктивность) наиболее полно проявляется лишь при определенных условиях, поэтому для каждого района с теми или иными климатическими условиями, агротехническими приемами и т. д. необходимо иметь свои сорта и породы.

Все эти факторы необходимо учитывать при интенсивном сельскохозяйственном производстве, цель которого – максимальное производство продуктов питания при минимальных затратах средств на единицу продукции. Интенсификация сельского хозяйства стала актуальной задачей нашего времени в связи с острой нехваткой продуктов питания в целых регионах мира. Особенно большое значение имеет дефицит белка, ничем не заменимого, без которого невозможно нормальное развитие. Решается эта проблема разными способами, включающими совершенствование агротехники, подбор пород животных и сортов культурных растений, наиболее продуктивных в данных условиях, производство кормового белка для животных из нетрадиционных источников и т. д. К числу таких способов относится и широкое использование современных методов селекции.

 Отбор и гибридизация

Основными методами селекции являются отбор и гибридизация. В растениеводстве по отношению к перекрестно опыляющимся растениям нередко применяется массовый отбор. При таком отборе в посеве сохраняют растения только с желательными качествами. При повторном посеве снова отбирают растения с определенными признаками. Так были выведены сорта ржи (например, сорт Вятка). Сорт, получаемый этим способом, не является генетически однородным, и отбор время от времени приходится повторять.

Индивидуальный отбор сводится к выделению отдельных особей и получению от них потомства. Индивидуальный отбор приводит к выделению чистой линии – группы генетически однородных (гомозиготных) организмов. Путем отбора были выведены многие ценные сорта культурных растений (рис 1).

Рисунок 1. Низеостебельный сорт пшеницы с улучшенными качествами клейковины и исходный сорт.

Для внесения в генофонд создаваемого сорта растений или породы животных ценных генов и получения оптимальных комбинаций признаков применяют гибридизацию с последующим отбором. Так, некий сорт пшеницы может иметь прочный стебель и быть устойчивым к полеганию, но в то же время легко поражается ржавчиной. Другой же сорт, с тонкой и слабой соломиной, устойчив к ржавчине. При скрещивании этих двух пшениц в потомстве обнаруживаются различные комбинации, в том числе у части растений сочетаются признаки устойчивости к полеганию и к ржавчине. Такие гибриды отбирают и используют для посева. В животноводстве трудно получить массовый материал для отбора из-за малого числа потомков, поэтому широко используется индивидуальный отбор с тщательным учетом хозяйственно полезных признаков и гибридизации. У сельскохозяйственных животных проводят или близкородственное скрещивание с целью перевода большинства генов породы в гомозиготное состояние или неродственное скрещивание между породами или видами. Неродственное скрещивание имеет целью комбинацию нескольких полезных признаков. Такое скрещивание при последующем строгом отборе приводит к улучшению свойств породы (рис. 2).

Рисунок 2. Селекция у животных:
А – европейский кабан – представитель одного из видов, давшего начало породам домашних свиней, Б – матка крупной йоркширской породы

Искусственный отбор.

Естественные мутации, сопровождающиеся появлением полезных для человека признаков, возникают очень редко. На их поиски приходится затрачивать много сил и времени. Частота мутаций резко повышается при воздействии мутагенов. К ним относятся некоторые химические вещества, а также ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Эти воздействия нарушают строение молекул ДНК и служат причиной резкого возрастания частоты мутаций. Наряду с вредными мутациями нередко обнаруживаются и полезные, которые используются учеными в селекционной работе.

Рисунок 1. Растения тетраплоидной (4n = 32) и диплоидной (2n = 16) гречихи:
листья тетраплоидов крупнее.

В качестве примеров можно привести полученные путем искусственного мутагенеза высокопродуктивные сорта ярового и озимого ячменя - важнейшей зернофуражной культуры в нашей стране и сорт яровой пшеницы  Новосибирская 67, высеиваемой на большой площади. Таким путем удалось вывести также штаммы бактерий и грибов, активно синтезирующих необходимые человеку продукты - витамины, антибиотики.

Путем воздействия мутагенами в растениеводстве получают и полиплоидные растения, отличающиеся более крупными размерами, высокой урожайностью и более активным синтезом органических веществ. Широко распространены полиплоидные сорта клевера, сахарной свеклы, турнепса, ржи, гречихи, масличных растений.

Результаты селекции.

Возникновение новых пород домашних животных и сортов культурных растений стало возможно вследствие существования у диких видов комбинативной наследственной изменчивости как результата полового размножения и отбора, применяемого человеком. Животные и растения, выведенные человеком, имеют общие черты, резко отличающие их от диких видов. У культурных форм сильно развиты отдельные признаки, бесполезные или вредные для существования в естественных условиях, но полезные для человека. Например, способность некоторых пород кур давать 300 и более яиц в год лишена биологического смысла, поскольку такое количество яиц курица не может насиживать. Можно привести множество подобных примеров, относящихся не только к хозяйственно полезным признакам, но и к декоративным – у голубей, бойцовых петухов, некоторых пород собак.

Все современные домашние животные и возделываемые человеком растительные культуры произошли от диких предков. Процесс превращения диких животных и растений в культурные формы называют одомашниванием. Оно началось, по-видимому, со случайного выращивания молодняка диких животных. Некоторые оказались способными существовать в контакте с человеком и начали размножаться в созданных для них условиях. Этот процесс широко известен уже 6 - 8 тыс. лет. Именно в это время человек вовлек в культуру большинство животных и растений, используемых и поныне.

Размеры и продуктивность культурных растений выше, чем у родственных диких видов, но вместе с тем они лишены средств защиты от поедания: горьких или ядовитых веществ, шипов, колючек. Для более полного удовлетворения пищевых и технических потребностей человека создаются все новые сорта растений и породы животных с заранее заданными свойствами. Разработка теории и методов создания и совершенствования пород животных и сортов растений представляет предмет селекции. Селекционеры исследуют специфические закономерности эволюции домашних животных и возделываемых растений, происходящей под направляющим влиянием человека.

Центры многообразия и происхождения культурных растений

Успех селекционной работы зависит главным образом от генетического разнообразия исходной группы растений или животных. Между тем генофонд существующих пород животных или сортов растений, естественно, менее разнообразен по сравнению с генофондом исходного дикого вида. Поэтому при выведении новых сортов растений и пород животных очень важны поиски и выявление полезных признаков у диких предков.

С целью изучения многообразия и географического распространения культурных растений Н. И. Вавилов организовал многочисленные экспедиции как в пределах территории нашей страны, так и во многие зарубежные страны. В результате этих экспедиций был собран огромный семенной материал, который был использован для селекционной работы. Н. И. Вавилов выделил 7 центров происхождения культурных растений.

Название центра	Географическое положение	Родина культурных растений
Южно-азиатский тропический	Тропическая индия, Индокитай, Южный Китай, о-ва Юго-Восточной Азии	Рис, сахарный тросник, цитрусовые, огурец, баклажан, черный перец и др. (50 % культурных растений)
Восточно-азиатский	Центральный и Восточный Китай, Япония, Корея, Тайвань	Соя, просо, гречиха, плодовые и овощные культуры – слива, вишня, редька и др. (20 % культурных растений)
Юго-западно-азиатский	Малая Азия, Средняя Язия, Афганистан, Юго-Западная Индия	Пшеница, рожь, бобовые культуры, лен, конопля, репа, морковь, чеснок, виноград, абрикос, груша и др. (14 % культурных растений)
Средиземноморский	Страны по берегам Средиземного моря	Капуста, сахарная свекла, маслины, клевер, чечевица, кормовые травы (11% культурных растений)
Абиссинский	Абиссинское нагорье Африки	Твердая пшеница, ячмень, кофейное дерево, сорго, бананы
Центрально-американский	Южная мексика	Кукуруза, длинноволокнистый хлопчатник, какао, тыква, табак
Южно-американский	Южная Америка вдоль западного побережья	Картофель, ананас, хинное дерево

Таблица 1. Центры происхождения культурных растений (по Н. И. Вавилову)

Центры происхождения культурных растений, как показывают археологические исследования, тесно связаны с районами одомашнивания животных. Такие регионы получили название центров доместикации (от лат. domesticus – домашний). Многочисленные зоологические исследования подтвердили, что для каждого вида домашних животных, несмотря на обилие пород, существует, как правило, один дикий предок.

Контрольные  вопросы:

1. Что такое селекция и каковы ее основные задачи?

2. Что собой представляет отбор и гибридизация?

3. Что такое искусственный отбор?

4. Каковы результаты селекции?

5.Перечислить центры многообразия и происхождения.

Лекция №10. Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле.

Цель теоретического занятия:   рассмотреть основные закономерности и основные  этапы развития жизни на Земле.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1. Гипотезы проис­хождения жизни.
2. Основные закономерности возникновения, развития и существования жизни на Земле.
3. Усложнение живых организмов в процессе эволюции.
4. Причины многообразия видов организмов на Земле.

 Гипотезы проис­хождения жизни.

Происхождение жизни на Земле является одной из важнейших проблем естествознания. Еще в глубокой древности люди задавали себе вопросы, откуда произошла живая природа, как появилась жизнь на Земле, где грань перехода от неживого к жизни и пр. На протяжении десятков веков менялись взгляды на проблему жизни, высказывались разные идеи, гипотезы и концепции. Этот вопрос волнует человечество и по настоящее время.

Некоторые идеи и гипотезы о происхождении жизни получили широкое распространение в разные периоды истории развития естествознания. В настоящее время существует пять гипотез возникновения жизни:

1. Креационизм – гипотеза, утверждающая, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения, то есть Богом.

2. Гипотеза стационарного состояния, согласно которой жизнь существовала всегда.

3. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни, которая основывается на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества.

4. Гипотеза панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю из космического пространства.

5. Гипотеза исторического происхождения жизни путем биохимической эволюции А. И. Опарина:

 -Геохимическая эволюция планеты Земля, синтез простейших соединений, таких как СО₂, переход воды из парообразного состояния в жидкое в результате постепенного охлаждения Земли. Эволюция атмосферы и гидросферы.

- Образование из неорганических соединений органических веществ – аминокислот – и их накопление в первичном океане в результате электромагнитного воздействия Солнца, космического излучения и электрических разрядов.

-Постепенное усложнение органических соединений и образование белковых структур.

- Выделение белковых структур из среды, образование водных комплексов и создание вокруг белков водной оболочки.

-Слияние таких комплексов и образование коацерватов, способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой.

- Поглощение коацерватами металлов, что привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы.

-Выработка в ходе эволюции у этих образований процессов саморегуляции и самовоспроизведения.

 Основные закономерности возникновения, развития и существования жизни на Земле. Для существования первых «живых» молекул, прокариотов необходим, как для всего живого, приток энергии извне. Непосредственным источником энергии для клеток служит аденозинтрифосфорная кислота и другие соединения, содержащие фосфор. Энергию клетки получают с пищей, они способны не только тратить, но и запасать энергию.Примерно 2 млрд. лет тому назад в живых клетках появилось ядро. Из прокариотов возникли эукариоты – одноклеточные организмы с ядром. Их на Земле насчитывается 25—30 видов. Самые простые из них – амебы. У эукариотов существует в клетке оформленное ядро с веществом, содержащим код синтеза белка. Примерно к этому времени наметился «выбор» растительного или животного образа жизни. Основное различие этих образов жизни связано со способом питания, с возникновением такого важного для жизни на Земле процесса, как фотосинтез. Фотосинтез заключается в создании органических веществ, например, сахаров, из углекислоты и воды при использовании энергии света. Благодаря фотосинтезу растения вырабатывают органические вещества, за счет которого происходит наращивание массы растений.

Усложнение живых организмов в процессе эволюции.Усложнение строения организмов животных происходило на про­тяжении всего периода развития животного мира на Земле. Появление многоклеточности, специализации и дифференцировки клеток было выгодным и давало определенные преимущества живым организмам. В процессе эволюции постоянно возникают новые виды организмов, приспособленных к разным условиям среды, увеличивается разнообра­зие фауны. В результате эволюции повышается общий уровень органи­зации живых существ: происходит усложнение и усовершенствование их строения. А вот строение паразитических форм организмов в про­цессе эволюции упрощается. Но и эти организмы считают прогрессив­ными эволюционными группами, поскольку они прекрасно приспособ­лены к жизни и дают многочисленное потомство.

Причины многообразия видов организмов на Земле
Причины многообразия видов – результат взаимодействия движущих сил эволюции: наследственной изменчивости, борьбы за существование, естественного отбора. На Земле существуют различные среды обитания. В связи с этим каждый вид приспособился к условиям жизни каждый в своей среде. Большое разнообразие видов в природе уменьшает шансы вымирания.

Контрольные  вопросы:

1. Охарактеризовать  гипотезы проис­хождения жизни на Земле.
2.  Перечислить основные закономерности возникновения, развития и существования жизни на Земле.
3.  В чем причины многообразия видов организмов на Земле?

Лекция№11. История развития эволюционных идей.

Цель теоретического занятия:   рассмотреть историю развития эволюционных идей.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1. История развития эволюционных идей.

2. Значение работ К. Линнея, Ж.Б. Ламарка, Ж. Кювье в развитии эволюционных идей в биологии.

3. Эволюционное учение Ч. Дарвина.

Краткое изложение темы:

 История развития эволюционных идей.

История развития естествознания в античный период тесно связана с развитием философии. Считалось, что от воли богов зависит  и жизнь людей (креационизм). Так, Гераклит Эфесский (VI в. до н.э.) считал, что мир не создан никем из богов. В нем нет ничего застывшего, все находится в постоянном движении. Все течет, все изменяется, как вода в реке. В трудах великого философа и естествоиспытателя древности Аристотеля (384 — 322 гг. до н.э.) имеются высказывания о развитии живой природы, основанные на знании общего плана строениявысших  животных (в книгах Аристотеля упоминается около 500 разных видов). Теофраст (372 — 287 гг. до н.э.). Он описал 400 видов растений, исследовал их органы. В его трактатах содержатся сведения о жизнедеятельности (физиологии) растений, их практическом значении. Фундаментальные труды Аристотеля «О частях животных», «История животных» и Теофраста «Исследования о растениях», обобщающие биологические знания того времени, оказал решающее влияние на последующее развитие биологии.

 Значение работ К. Линнея, Ж.Б. Ламарка, Ж. Кювье в развитии эволюционных идей в биологии.

Карл Линней (1707—1778), труд «Система природы», выдвинул иерархический принцип систематических категорий: объединил виды в роды, роды в отряды, отряды в классы. Предложил бинарную номенклатуру, создал первую искусственную систему природы. Линней отнес человека к миру животных и поместил его в один отряд с обезьянами. Научное наследие К.Линнея включает 180 опубликованных работ.

Жорж Кювье (1769—1832) был крупнейшим специалистом в области палеонтологии и сравнительной анатомии. Установил сходство между ископаемыми и современными животными.  Кювье разработал «теорию катастроф», которые в прошлом уничтожали всех животных, и после каждой катастрофы происходило сотворение новых живых организмов.

Кювье использовал для подтверждения деятельности творца, он рассматривал в качестве доказательства естественного происхождения и изменения живых организмов (трансформизм).

Жан  Батист  Ламарк (1744- 1829) предложил первую эволюционную теорию, подкрепленную многочисленными  примерами. В основу учения положено представление о постепенном естественном развитии организмов во времени от простого к сложному и роль внешней среды в этом процессе оказывают условия среды. Основной труд «Философия зоологии».

 Эволюционное учение Ч. Дарвина.

Главная научная заслуга Чарльза Дарвина (1809-1882 ). состоит в том, что он раскрыл основные механизмы и движущие силы эволюции органического мира Земли. Дарвин объяснил суть селекции: человек создает новые породы домашних животных и сорта растений на основе наследственной изменчивости и искусственного отбора. Центральным звеном в теории Дарвина по праву следует считать разработанное им учение о естественном отборе, который, в свою очередь, становится следствием борьбы за существование. Борьба за существование происходит из-за почти неограниченной способности  организмов к размножению  (под контролем естественного отбора). Ч. Дарвин считал, что механизмы эволюции едины. Ч. Дарвин вскрыл причины приспособлений организмов и показал относительный характер приспособленности, объяснил саму суть процесса видообразования (принцип дивергенции).

 Контрольные вопросы:

1. Что изучает эволюционное учение?

2. С именами каких античных ученых связаны древнейшие эволюционные представления?

3. В чем суть эволюционной концепции Ж. Б.Ламарка?

4. Какова роль Аристотеля в развитии биологии?

5. Какие основные эволюционные идеи сложились в античное время?

6. Каких ученых справедливо считают предшественниками дарвинизма?

7. Какое значение для развития эволюционных идей имели труды

К.Линнея?

8.  В чем сущность эволюционного учения Ч. Дарвина?

Лекция№12. Микроэволюция и макроэволюция.

Цель теоретического занятия:   рассмотреть основные понятия о структурных единицах эволюции микро- и макроэволюции.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1.      Микроэволюция

2.      Макроэволюция

3. Направления  макроэволюции.
4. Синтетическая теория эволюции

Краткое изложение темы:

Микроэволюция — это распространение в популяции малых изменений в частотах аллелей на протяжении нескольких поколений; эволюционные изменения на внутривидовом уровне. Такие изменения происходят из-за следующих процессов: мутации, естественный отбор, искусственный отбор, перенос генов и дрейф генов. Эти изменения приводят к дивергенции популяций внутри вида, и, в конечном итоге, к видообразованию.

Популяционная генетика — это ветвь биологии, которая обеспечивает математический аппарат для изучения микроэволюционных процессов. Экологическая генетика наблюдает микроэволюцию в реальности. Как правило, наблюдаемые процессы эволюции являются примерами микроэволюции, например, образование штаммов бактерий, обладающих устойчивостью к антибиотикам. Микроэволюции часто противопоставляют макроэволюции, которая представляет собой значительные изменения в частотах генов на популяционном уровне в значительном геологическом промежутке времени. Каждый подход вносит свой вклад в эволюционные процессы. Второе понятие микроэволюции — процесс видообразования.

Макроэволюция как процесс исторического развития крупных таксонов (семейств, отрядов, классов, типов) органического мира не имеет особых механизмов. Она происходит на основе микроэволюции и представляет собой обобщенную картину развития органического мира в его исторической перспективе. Таким образом, макро- и микроэволюционные процессы обусловлены действием одних и тех же элементарных эволюционных факторов. Большой вклад в развитие теории макроэволюции внес отечественный ученый А.Н.Северцов. Он сформулировал понятия биологического прогресса и регресса и установил основные пути и направления эволюции.

Биологический прогресс характеризуется процветанием вида или группы организмов в целом, его эволюционным успехом. Достигается за счет возрастания приспособленности организмов к окружающей среде, ведущее к увеличению численности и более широкому распространению вида ( мышевидные грызуны, насекомые, живущие рядом с человеком, сорные растения)

Биологический регресс – это снижение уровня приспособленности к условиям обитания, уменьшение численности вида и площади видового ареала. Проявляется в уменьшении численности вида, преобладании смертности над рождаемостью, сужении ареала, сокращении числа популяций и уменьшении числа систематических единиц (примеры-гигантский ленивец, динозавры, саблезубый тигр, древовидные формы хвощей и плавунов.)

Направления  макроэволюции.

А.Н.Северцов и И.И.Шмальгаузен установили, что биологический прогресс в эволюции достигается путем морфологических изменений в трех направлениях – в результате ароморфоза, идиоадаптации и общей дегенерации.

Направление макроэволюции	Характеристика процесса	Примеры
Ароморфоз	Крупные, новые изменения в строении организмов, сопровождающиеся повышением общего уровня их организации. В результате усложнения органов приобретаются ранее отсутствовавшие приспособления, что приводит к расширению адаптивных возможностей отдельных групп. Носят общий характер.	У животных: развитие от двухкамерного сердца и одного круга кровообращения у рыб до четырехкамерного сердца и двух кругов кровообращения у птиц и млекопитающих. Совершенствование органов дыхания, кожных покровов, головного мозга, теплокровность у млекопитающих. Глобальные ароморфозы: фотосинтез, многоклеточность, половой процесс.
Идиоадаптация	Это частные приспособления к условиям обитания, не изменяющие общего уровня организации. Возникающие изменения носят приспособительный характер, иногда имеют узкую специализацию, направленную на адаптацию к конкретным условиям среды.	Все приспособления организмов: окраска и форма тела, особенности строения конечностей и поведения, клюв и крылья у птиц.
Общая дегенерация	Упрощение уровня организации, исчезновением некоторых органов или систем органов. Она вызвана переходом организмов к паразитическому или пассивному, сидячему образу жизни, что ведет к появлению у них существенных отличий от свободноживущих родственных видов.	Растения-паразиты: повилика. Паразитические ленточные черви. Миноги, миксины.

 

Синтетическая теория эволюции

Началом разработки синтетической теории эволюции (СТЭ) принято считать работы русского генетика С. С. Четверикова.

Синтетическая теория эволюции строится на следующих принципах и понятиях:

1. Элементарной «клеточкой» биологической эволюции является не организм, не вид, а популяция. Популяция – это элементарная эволюционная структура. Через изменение ее генотипического состава осуществляется эволюция вида;

2. Элементарный эволюционный материал – это мутации (мелкие  изменения наследственности), обычно случайно образующиеся. В настоящее время выделяют генные, хромосомные, геномные (изменения числа хромосом и др.), изменения внеядерных ДНК и др.;

3. Наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием элементарных эволюционных факторов: мутационный процесс, поставляющий элементарный эволюционный материал; популяционные волны (колебания численности популяции в ту или иную строну от средней численности входящих в нее особей); изоляция (закрепляющая различия в наборе генотипов и способствующая делению исходной популяции на несколько новых, самостоятельных популяций); естественный отбор.

 Контрольные вопросы:

1.      Дать понятие процессу микроэволюции

2.      Дать понятие макроэволюции. Перечислить основные направления  макроэволюции.

3.      В чем сущность синтетической теории эволюции?

Лекция№13. Антропогенез.

Цель теоретического занятия:   рассмотреть основные признаки антропогенеза.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1.      Социальные факторы антропогенеза

2.      Биологические  факторы антропогенеза

3.      Расы и их происхождение

4.      Несостоятельность расизма

Краткое изложение темы:

Понятием «антропогенез» обозначают общий ход процессов эволюционно-исторического развития физического образа человека, начального формирования его речи, трудовой деятельности и общества. Проблемы антропогенеза изучает наука антропология.

Социальные факторы антропогенеза

Под данными факторами подразумеваются общественный способ жизни, труд, речь и развитое сознание. Самостоятельно изготовить орудие труда может только человек. Определенные животные лишь используют некоторые предметы с целью добывания пищи (чтобы достать плод с ветки обезьяна берет палку). Благодаря трудовой деятельности у предков человека происходил так называемый антропоморфоз – закрепление физиологических и морфологических изменений. Важнейшим фактором антропоморфоза в человеческой эволюции явилось прямохождение. Из поколения в поколение естественный отбор сохранял особи со способствующими прямохождению наследственными характеристиками. С течением времени сформировался приспособленный к вертикальному положению S-образный позвоночник, развились массивные кости ног, широкие грудная клетка и таз, сводчатая стопа.

Биологические  факторы антропогенеза

Прямохождение высвободило руки. Вначале рука выполняла лишь самые простые движения, но в процессе занятия трудом она усовершенствовалась и приобрела способность к выполнению сложных действий. В этом смысле можно сделать вывод, что рука не только орган труда, но и его продукт. Совместный труд способствовал сближению членов рода, возникла необходимость в обмене звуковыми сигналами. Так общение вызвало потребность развития сигнальной системы второго плана – коммуникации посредством слов. Первыми средствами общения был обмен жестами и отдельными примитивными звуками. Дальнейшие мутации и естественный отбор преобразовали гортань и ротовой аппарат, что сформировало речь. Возможность говорить и умение трудиться развили мышление. Таким образом, в течение продолжительного времени во взаимодействии социальных и биологических факторов произошла эволюция человека. Физиологические и морфологические особенности способны передаваться по наследству, но способность работать, мышление и речь развиваются исключительно в процессе образования и воспитания.

Расы и их происхождение

Человеческие расы — это исторически сложившиеся группировки (группы популяций) людей внутри вида Homo sapiens sapiens. Расы отличаются друг от друга второстепенными физическими особенностями — цветом кожи, пропорциями тела, разрезом глаз, структурой волос и т. д. Существуют различные классификации человеческих рас. В практическом плане популярна классификация, по которой выделяют три большие расы: европеоидная (евразийская), монголоидная (азиатско-американская) и австрало-негроидная (экваториальная). В пределах этих рас насчитывается около 30 малых рас. Между тремя основными группами рас существуют переходные расы.

Европеоидная раса. Для людей этой расы характерны светлая кожа, прямые или волнистые светло-русые или темно-русые волосы, серые, серо-зеленые, каре-зеленые и голубые широко открытые глаза, умеренно развитый подбородок, неширокий выступающий нос, нетолстые губы, хорошо развитый волосяной покров на лице у мужчин. Сейчас европеоиды живут на всех материках, но сформировались они в Европе и Передней Азии.
Монголоидная раса. Монголоиды  обладают желтой или желто-коричневой кожей. Для них характерны темные жесткие прямые волосы, широкое уплощенное скуластое лицо, узкие и слегка раскосые карие глаза со складкой верхнего века во внутреннем углу глаза, плоский и довольно широкий нос, редкая растительность на лице и теле. Эта раса преобладает в Азии, но в результате миграции ее представители расселились по всему земному шару.

Австрало-негроидная раса. Негроиды  темнокожи, для них характерны курчавые темные волосы, широкий и плоский нос, карие или черные глаза, редкая растительность на лице и теле. Классические негроиды живут в экваториальной Африке, но схожий тип людей встречается по всему экваториальному поясу.

Австралоиды (коренные жители Австралии) почти так же темнокожи, как и негроиды, но для них характерны темные волнистые волосы, крупная голова и массивное лицо с очень широким и плоским носом, выступающим подбородком, значительный волосяной покров на лице и теле. Часто австралоидов выделяют в отдельную расу.

Для описания расы выделяются признаки, наиболее характерные для большинства входящих в нее индивидуумов. Но поскольку в пределах каждой расы имеются громадные вариации наследственных характеристик, то практически невозможно найти индивидуумов со всеми признаками, присущими расе.

Несостоятельность расизма. Фактические материалы, накопление современными общественными и естественными науками (антропологией, этнографией, расоведением и др.), изучающими расы и народы, показали полную несостоятельность расизма. Они выявили доказательства общего происхождения людей разных рас, т.е. все люди произошли от одного общего предка. Схема, которую мы рассмотрели в начале урока, тоже является доказательством общего происхождения людей. Против расизма свидетельствуют также экономические и культурные успехи других социалистических государств, население которых принадлежит к разным расам.

Контрольные вопросы:
1. Что такое человеческие расы?
2.  Чем можно объяснить формирование физических признаков, характеризующих различные расы?
3. Почему можно утверждать, что с биологической точки зрения все расы равноценны?
4.Обсудите проблемы межрасовых отношений и межрасовых браков в современном обществе.

Лекция№14. Предмет экологии. Экологические факторы.

Цель теоретического занятия:   рассмотреть  понятие экологии и  экологические факторы.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1. Понятие экологии

2.      Классификация зкологических  факторов.

Краткое изложение темы:

Предмет экологии.

Предметом изучения в экологии является совокупность и структура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии - наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Изначально экология развивалась как составная часть биологии, в тесной связи с другими естественными науками - учение) - дом, жилище и "логос" -(от греч. "ойкос"  экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой их обитания. В область компетенции экологии входит также изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, т.е. совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень).

Природа нашей планеты прекрасна и очень разнообразна. Все огромное разнообразие, которое встречается в биосфере, называют средой обитания  – совокупность факторов, окружающих живые организмы и оказывающих на них прямое или косвенное воздействие. Каждая среда оказывает на организмы определенные воздействия, называемые экологическими факторами.

Классификация экологических факторов:

1) Абиотические – все элементы неживой природы. Перечислите их!

Т.о. все эти факторы можно объединить в группы: климатические, почвенные, геологические и др.)

В природе трудно отделить действие одного фактора от другого, поэтому организмы всегда испытывают совместное действие факторов. Пример: солнечный свет нагревает поверхность, что в свою очередь вызывает испарение влаги и как следствие – иссушение.

Такое воздействие очень переменчиво и зависит от времени суток, рельефа, движения воздуха, времени года, близость водоема, растений и т.д.  Это приводит к появлению приспособленности у организмов, которые  сказываются на протекании физиологических процессов.

2.Биотические - всевозможное влияние одних живых организмов на другие. 

Виды взаимоотношений организмов:

А). Симбиотические:

 - кооперация (рак отшельник и актиния);

- мутуализм (микориза - грибокорень, лишайник - грибоводоросль);

 - нахлебничество (рыба лоцман и акула);

 - квартиранство (убежище для одних животных в норах других животных, убежище для одних животных являются тела других);

 - комменсализм (один вид  извлекает пользу из сосуществования, а второй вид не имеет от этого никакой выгоды не получает, например, береза или ольха могут быть няней для ели: они защищают молодые ели от прямых солнечных лучей, без чего на открытом месте ель вырасти не может). 

В). Антибиотические:

 - хищничество (заяц и лиса, каннибализм);

 - паразитизм (комары, блохи на теле животных, цепни в организме);

 - конкуренция (за место гнездования, воробьи и синицы, травоядные, насекомые и

 млекопитающие).

С). Безразличные:

 - нейтрализм (белки и лоси в одном лесу; гидроидные полипы на раковине моллюска).

В результате этих взаимодействий у организмов выработались приспособления:

- в виде повадок: для нападения на жертву, для защиты от хищника;

- в виде особенностей внешнего и внутреннего строения тела;

- в виде физиологических процессов, ритмов активности, расселения и т.д.

3.Антропогенные – действие человека как экологического фактора. В процессе своего существования он создал большое количество самых разнообразных культурных видов растений, домашних животных, создал искусственные биогеоценозы. Он сотворил и свою среду обитания. Это привело к возникновению между видами новых численных отношений, перестроились цепи питания, появились приспособления для существования в измененной среде. Антропогенные факторы имеют два направления: сознательные и случайные.

Экологические факторы  могут выступать:

-раздражителями – вызывают приспособительные изменения (сооружения медведями берлоги на зиму; сезонные перелеты птиц; сброс листвы растениями средней полосы в осенний период);

- ограничителями – невозможность существовать в данных условиях (наличие жаберного дыхания в наземно-воздушной среде);

- модификаторы – вызывают изменения в анатомии и морфологии (теплый мех у животных; низкорослость и мелколиственность у растений севера);

- сигналы – изменение в продолжительности световой части суток (при сокращении светового дня готовятся к цветению некоторые растения: декабрист, рождественская звезда, гербера и др.)

По своему действию экологические факторы могут оказывать угнетающее или стимулирующее действие. Это зависит от размаха действия фактора.

Контрольные вопросы:
1. Дать понятие экологии.
2. Дать классификацию экологическим факторам.

3.Какое действие могут оказывать экологические факторы?

Лекция№15. Биосфера. Охрана биосферы.

Цель теоретического занятия:   рассмотреть  понятие  биосферы и вопросы ее охраны.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1. Понятие биосферы. Основные геохимические функции живого вещества

2. Предотвращение разрушения биосферы.

Краткое изложение темы:

Биосфера.

Согласно учению В. И. Вернадского, биосфера - это оболочка Земли, включающая область распространения живого вещества и само это вещество. Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере.

 Основные геохимические функции живого вещества:

1. Энергетическая (биохимическая) - связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе, и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества.

2. Газовая - способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. 

3. Концентрационная - "захват" из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов.

4. Окислительно-восстановительная - окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организмов.

5. Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти.

6. Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов

7. Рассеивающая - функция противоположная концентрационной - рассеивание веществ в окружающей среде. 

Эволюция шла не только путем уничтожения нежизнеспособных видов, но и путем сохранения старых, наиболее приспособляемых к изменяющимся условиям существования. Так постепенно складывалось нынешнее многообразие живых организмов - основа устойчивости биосферы. Сейчас на Земле обитает около 1 млн. видов животных и более 260 тыс. видов растений, причем более 75% видов животных - это членистоногие (в основном насекомые). Таким образом, по разнообразию видов животные почти в 4 раза обгоняют растения. Однако биомасса растений суши составляет 97% , а животных и микроорганизмов - всего 3% всей биомассы планеты.

Одной из главных идей В. И. Вернадского в учении о биосфере была мысль о взаимосвязи живых организмов с неживой средой обитания. Эта взаимосвязь осуществляется путем круговоротов основных биогенных химических элементов - углерода, водорода, азота и кислорода, реализующихся в пищевых (трофических) цепях. Растения Земли - это единственные живые организмы, синтезирующие из неорганического материала (углекислый газ и вода) органические вещества (клетчатку и крахмал). Побочным продуктом этой реакции, называемой фотосинтезом, поскольку она осуществляется только на свету, является молекулярный кислород.

Различают два типа биогеохимических круговоротов: круговороты газов (углерод, кислород, азот и др.) и осадочные круговороты (сера, фосфор, кальций и др.).

Охрана биосферы

Предотвращение разрушения биосферы является одной из наиболее актуальных и важных проблем. Биосфера представляет собой саморегулирующуюся химико-биологическую систему планетарного масштаба, которая эволюционно формировалась в течение сотен миллионов лет. Основной функцией биосферы является стабилизация окружающей среды, осуществляемая за счет биотической регуляции и позволяющая поддерживать приемлемые для живых организмов условия обитания. Устойчивость биосферы как способность компенсационным образом противостоять антропогенным и природным воздействиям имеет определенные границы, за которыми эта способность утрачивается.

Важнейшим условием обеспечения устойчивости экосистем биосферы является сохранение биологического разнообразия.

         В настоящее время:

·        из 242 тыс. видов растений 14% находятся под угрозой вымирания;

·        из 9,6 тыс. видов птиц 11% угрожает вымирание, а для 60% наблюдается снижение численности;

·        из 4,4 тыс. видов млекопитающих 11% могут погибнуть;

·        из 24 тыс. видов рыб 33% находятся под угрозой вымирания.

Кроме этого с огромной скоростью производится вырубка лесов, только за 15 лет с 1980 по 1995 г. было потеряно около 200 млн. га леса, что соответствует площади территории Мексики.

      Одной из организаций, которая встала на защиту природы, стал Всемирный фонд дикой природы (WWF) – одна из крупнейших в мире общественных благотворительных организаций, более 50 лет работающая для охраны природы на всей планете. Ежегодно WWF осуществляет свыше 1200 экологических проектов, привлекая внимание миллионов людей к проблемам охраны окружающей среды и их решению. Миссия WWF – в предотвращении нарастающей деградации естественной среды планеты и достижении гармонии человека и природы. Главная цель – сохранение биологического разнообразия Земли.

Контрольные вопросы:

1. Дать понятие биосферы. Перечислить  основные геохимические функции живого вещества.

2.  Каковы пути  и проблемы предотвращения разрушения биосферы?

Лекция№16. Влияние деятельности человека на биосферу

Цель теоретического занятия:  сформировать понятие  о влиянии деятельности человека на биосферу

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1.  Научно-технический прогресс  как фактор предпосылки для возникновения крупных экологических кризисов.

2. Факторы, способствующие загрязнению биосферы.

Краткое изложение темы:

Хозяйственная деятельность человека неоднократно приводила к ухудшению природных условий, порождала локальные экологические кризисы. Человек, овладев огнем, применял его для уничтожения растительности, как в земледельческих, так и в охотничьих целях. При этом хищнически уничтожались флора и фауна на значительных территориях, что приводило к образованию пустынь. В совокупности рассмотренные процессы приводили к исчезновению древних цивилизаций, например, в Индии (3..2 тысячелетия до н.э.), Майя в Центральной Америке и др.

Научно-технический прогресс увеличивает возможности воздействия на окружающую среду, создавая предпосылки для возникновения крупных экологических кризисов. С другой стороны, этот же прогресс расширяет возможности предупреждения таких кризисов.

Наиболее отчетливо эти противоположные тенденции проявились во второй половине XX века. Так, например, растительный покров большей части поверхности континентов носит вторичный характер, т.е. заменён нужными человеку растениями. Это обстоятельство привело к нарушению процесса почвообразования, изменению физико-химических свойств почв и их эрозии. В возрастающих масштабах человеком загрязняются атмосфера и воды континентов и океанов.

Понимая экологический кризис как непоправимое за короткий срок ухудшение природной среды, нельзя говорить о глобальном кризисе в настоящее время. Сейчас существует множество локальных кризисов, которые не всегда разрешимы и, накапливаясь, могут принять глобальные масштабы.

Экологический ущерб биосфере не всегда может быть возмещён, например, уничтожение генофонда современных организмов.

Демографические процессы, сопровождающиеся ростом народонаселения, способствуют ускорению проявления как локальных, так и глобальных экологических кризисов, т. к. соответственно увеличиваются масштабы промышленного и сельскохозяйственного производств, исчерпание минеральных ресурсов и количество отходов.

Особо следует отметить влияние человека на климат городов, регионов и планеты в целом за счет загрязнения атмосферы. Атмосфера Земли как компонент биосферы является трансформатором локальных воздействий человека на окружающую среду в глобальные изменения природных условий. Так, современные города, благодаря растущей урбанизации, можно рассматривать как „острова тепла“ и источники выделения газов, паров и аэрозолей. Это обстоятельство вызывает образование туманов, приводящих к смогам, сопровождающимися увеличением концентрации в атмосфере опасных для биосферы веществ.

Постоянный рост количества сжигаемого в энергетических целях топлива органического происхождения способствует повышению температуры у поверхности Земли, что обусловливает изменение климата как в региональном, так и в планетарном масштабах. При этом нарушается естественный ход эволюции биогеоценозов и биосферы в целом.

Климатические изменения, обусловленные хозяйственной деятельностью человека проявляются уже сейчас (повышение средней температуры у поверхности Земли на ~ 0,5 ^оC, перестройка установившейся ранее атмосферной циркуляции воздушных масс и др.), а в недалёком будущем (XXI век и далее) эти изменения усилятся.

Особое негативное влияние деятельность человека оказывает на «биологический щит» планеты – озоновый компонент атмосферы. Развитие промышленности, космонавтики и др. факторы способствуют снижению концентрации озона в стратосфере и, как следствие, интенсификации жёсткого ультрафиолетового облучения земной поверхности, что губительно для живых организмов, обитающих в наземно-воздушной среде.

Кроме вышеуказанных воздействий на биосферу, человек способствует её радиоактивному загрязнению. Происходит это за счёт извлечения из недр Земли и последующего концентрирования на её поверхности долгоживущих радиоактивных изотопов. Чаще всего это 238U (период полураспада ~ 4,47∙109 лет) и 235U (период полураспада ~ 0,7∙109 лет). При ядерных превращениях (распаде) этих изотопов образуются другие химические элементы и их изотопы, например, 226Ra, 222Rn и др., которые, в свою очередь, чаще всего являются радиоактивными. При распаде радиоактивных веществ генерируются корпускулярные ( α, β ) и электромагнитные ( γ,рентгеновское) ионизирующие излучения, действие которых на организмы биосферы негативно. Так, у человека возможно образование злокачественных опухолей (рак), нарушение функций зрения (катаракта), разрушение эритроцитов (белокровие), инактивация гонад, мутации потомства и др. негативные изменения. Подобного рода процессы происходят и в других организмах, составляющих биосферу.

На компоненты биосферы воздействует также рентгеновское ионизирующее излучение (с такими же негативными эффектами как и выше), которое генерируется при изменении вектора-скорости движущегося потока заряженных частиц, например, в телевизорах, мониторах ЭВМ, в некоторых медицинских и научных приборах и аппаратах.

Таким образом, не ограничивая масштабы своей деятельности, не применяя специфических экозащитных (природоохранных) мер, человек будет способствовать постепенной деградации биосферы.

Контрольные вопросы:

1. Охарактеризовать  научно-технический прогресс  как фактор предпосылки для возникновения крупных экологических кризисов.
2. Перечислить факторы, способствующие загрязнению биосферы.

Лекция№17. Бионика.

Цель теоретического занятия:  дать понятие   бионики и рассмотреть ее значение в развитии научно-технического прогресса.

Время: 2 часа

Учебно-материальное обеспечение:

1.Компьютер, экран, проектор;

2. Электронная презентация к занятию.

Учебные вопросы:

1. Понятие бионики

2. Современные достижения в области бионики

Краткое изложение темы:

“БИОлогия” и “техНИКА”  - БИОНИКА - прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов, свойств, функций и структур живой природы.

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.

Различают:

биологическую бионику - изучающую процессы, происходящие в биологических системах;

теоретическую бионику - строящую математические модели этих процессов;

техническую бионику - применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Сегодня бионика развивается стремительными темпами и уже подразделяется на отдельные направления: нейробионика,  биомолекулярная электроника и нанотехнологии,  учение об искусственных нейронных сетях, архитектурная биотика.

НЕЙРОБИОНИКА - направление в бионике, связанное с изучением и моделированием деятельности центральной нервной системы человека и животных для использования закономерности их строения при создании новых технических приспособлений, кибернетических систем.

Мы будем рассматривать нейробионику с трех позиций:

1.        искусственный интеллект

2.        нанороботы

3.        киборги          

1.  Иску́сственный интелле́кт  — это наука и разработка интеллектуальных машин и систем, особенно интеллектуальных компьютерных программ, направленных на то, чтобы понять человеческий интеллект.

Различные виды и степени интеллекта существуют у многих людей, животных и некоторых машин, интеллектуальных информационных систем и различных моделей экспертных систем с различными базами знаний. При этом как видим такое определение интеллекта не связано с пониманием интеллекта у человека — это разные вещи. Более того, эта наука моделирует человеческий интеллект, так как с одной стороны, можно изучить кое-что о том, как заставить машины решить проблемы, наблюдая других людей, а с другой стороны, большинство работ в ИИ вовлекают изучение проблем, которые требуется решать человечеству в промышленном и технологическом смысле.

Отношение к ИИ в обществе. Если в будущем машины смогут рассуждать, осознавать себя и иметь чувства, то что тогда делает человека человеком, а машину — машиной?                      

2. Нанороботы. Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом  проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии не похожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно  выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами. Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах. Однако любой, даже самый мизерный программный сбой может оказаться для человечества фатальным.

Современные достижения

            В мире появился первый наноробот, который уже успешно прошел первые лабораторные испытания. Ученые из американского Университета Джона Хопкинса создали наноробота для использования в медицинских целях в организме человека. Таким образом, создание первых нанороботов уже не дело далекого будущего - а реалии сегодняшнего дня. Этих нанороботов планируется использовать в медицинских целях - устройства будут заниматься решением проблем на клеточном уровне.

            Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Внешний вид наноробота довольно причудлив - у него есть туловище и три пары конечностей с клешнями, которыми аппарат сможет манипулировать с частичками ткани. При этом конечности наноробот выпускает лишь при достижении цели, а в организме человека аппарат передвигается в виде шарика.  Нанороботу не нужно дополнительного питания - заряжается от с помощью тепловых, биохимических и магнитных импульсов. В рамках эксперимента нанороботу было дано задание - пролезть в специальную пробирку с живой тканью и найти определенные частицы. Наноробот успешно выполнил задание - он выбрал именно те частицы, которые и были предусмотрены программой. Однако наноробот ещё требует усовершенствования - сейчас он способен лишь захватывать клетки, но не умеет переносить их.

3.Киборг — биологический организм, содержащий механические компоненты; реже неверно используется в качестве термина для обозначения робота, содержащего биологические компоненты (данное значение термина популяризовано во многом благодаря серии кинофильмов «Терминатор», хотя все терминаторы — роботы, а не киборги).Термин введен 1960 году, в связи концепцией расширения возможностей человека для выживания вне Земли. Эта концепция являлась результатом размышлений на тему необходимости более близких отношений между человеком и машиной, по мере того как космические исследования становятся реальностью.

 Цели создания

Применение человекообразных роботов-киборгов имеет самый широкий спектр, и первостепенными качествами киборга в предполагаемых областях его использования являются: устранение так называемого «человеческого фактора», возможность эксплуатации без усталости присущей живому организму, возможность применения в экстремальных условиях

Возрастание зависимости человека от механизмов, а также замена органов механическими приспособлениями (протезами, имплантатами) создаёт условия для постепенного превращения человека в киборга. Техника по сути является проекцией человека: одежда — проекция кожи, молоток — проекция кулака, кастрюля — органопроекция желудка. Тонкая грань между киборгом и роботом проходит в принципиальном различии рассматриваемых систем, и с ростом успехов в биотехнологии и микроэлектронике неуклонно сокращается в сторону сращивания различий понятия киборга и робота.

Японская корпорация Cyberdyne начала экспорт экзоскелетов HAL-5 за пределы страны. Шесть HAL-5 в августе получат датские госпитали. Там экзоскелеты в течение полугода будут проверяться на безопасность и эффективность.

HAL-5 — Устройство представляет собой робокостюм, позволяющий пациентам с различными формами паралича передвигаться и даже поднимать тяжелые объекты. Он улавливает через кожу сигналы мозга и преобразует их в команды для передвижения. Фактически речь идет об объединении человека и устройства в кибернетический организм, киборг.
HAL разрабатывается уже более пяти лет. «Рост» робокостюма составляет 1 метр 60 сантиметров. Стандартный экзоскелет весит 23 килограмма. Костюм компенсирует свой вес, так что пользователь его не замечает. Аккумулятор обеспечивает автономную работу HAL-5 в течение двух с половиной часов.

Контрольные вопросы:

1. Дать понятие бионики.

2. Охарактеризовать  современные достижения в области бионики.

Литература:

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

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.

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

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

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