Краткий курс лекций для студентов СПО по биологии

Министерство общего и профессионального образования Ростовской области

Кулешовский филиал
государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения
Ростовской области
«Азовский гуманитарно-технический колледж»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ПРОФЕССИЙ

«Повар-кондитер»

«Автомеханик»

Краткий курс лекций по дисциплине

«Биология»

с. Кулешовка, 2016г.

ОДОБРЕНА ЦМК общеобразовательной и профессиональной подготовки Протокол №____от_________________ Председатель ЦМК _______________    С.М. Закалюжная               подпись                                    ФИО

УТВЕРЖДАЮ Зав. Кулешовским филиалом _______________ Т.В. Радченко               подпись                                ФИО «____»_________________ 20____г.

Краткий курс лекций учебной дисциплины «Биология» разработаны в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом, с учетом примерной программы учебной дисциплины «Биология» для профессиональных образовательных организаций, рекомендованной ФГАУ «ФИРО» Протокол №3 от 21 июля 2015г. (ФГАУ «ФИРО» Минобрнауки России, 2015)

Организация-разработчик: Кулешовский филиал государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения Ростовской области «Азовский гуманитарно-технический колледж».

Разработчик: _____________ Игнашева В.А., преподаватель, Кулешовский филиал ГБПОУ РО «АГТК»

Содержание

Пояснительная записка............................................................................................................. Введение..................................................................................................................................... Учение о клетке......................................................................................................................... Организм. Размножение и индивидуальное развитие организмов..................................... Основы генетики и селекции................................................................................................... Происхождение и развитие жизни на Земле. Эволюционное учение................................ Происхождение человека......................................................................................................... Основы экологии....................................................................................................................... Бионика...................................................................................................................................... Список рекомендуемой литературы.......................................................................................

4 5 8 20 29 42 47 53 58 64

Пояснительная записка

            Краткий курс лекций является частью учебно-методического комплекса по учебной дисциплине «Биология» и составлены в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом.           

            В настоящее время практически все развитые страны мира осознали необходимость реформирования своих систем образования с тем, чтобы студент действительно стал центральной фигурой учебного процесса, процесс познания, а не преподавание, как это было до сих пор при традиционном обучении. Важность такого подхода к образованию, очень точно выразил видный американский бизнесмен Джон Гриллос: «Меня мало беспокоит прочность приобретаемых учащимися знаний в той или иной области, поскольку эти знания подвергаются изменениям каждый год и эти знания устаревают подчас раньше, чем учащиеся сумеют их усвоить. Гораздо важнее, чтобы молодые люди, умели самостоятельно учиться работать с информацией, самостоятельно совершенствовать свои знания и умения в разных областях, приобретая, если окажется необходимым, новые знания, профессии, потому что именно этим им придется заниматься всю их сознательную жизнь».

            Поэтому современный студент должен гибко адаптироваться в меняющихся жизненных ситуациях; самостоятельно приобретать необходимые знания и умело применять их на практике для решения разнообразных возникающих проблем, чтобы на протяжении всей жизни иметь возможность найти в ней свое место; самостоятельно критически мыслить, уметь увидеть возникающие в реальной действительности проблемы и искать пути рационального их решения, используя современные технологии; грамотно работать с информацией.

            Одной из  форм  активизации учебной деятельности студентов может быть работа, основанная на применении опорных конспектов лекций проводимых занятий.

            Курс биологии направлен на формирование у студентов представлений об отличительных особенностях живой природы, ее многообразии и эволюции, человеке как биосоциальном существе.

            Основная цель учебного пособия  – обобщение и изучение основ биологии, задачей которых является формирование у студентов научных представлений об общей картине мира, выработка творческого мышления, умений и навыков.

            Данное учебное пособие составлено в форме опорных конспектов лекций, где даётся краткое изложение учебного материала по разделам: «Введение», «Учение о клетке», « Организм. Размножение и индивидуальное развитие организмов», «Основы генетики и селекции», «Происхождение и развитие жизни на Земле. Эволюционное учение», «Происхождение человека», «Основы экологии», «Бионика». В опорных конспектах лекций при помощи языковых терминов, схем, в определенной логической последовательности излагается главная информация по теоретическому материалу всей темы, разделу изучаемой дисциплины.

            Работа по опорным конспекта может  проводиться как на учебном занятии, так  и дома, что поможет более глубокому пониманию и постепенному запоминанию необходимого теоретического материала, а не его "зазубриванию".

Введение

            Термин «биология» образуется из двух греческих слов (bios – жизнь и logos – учение). Термин был введен в 1802 году двумя естествоиспытателями – Ж.Б. Ламарком и Г.Р. Тревиранусом, независимо друг от друга.

            Биология изучает общие закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие.    

            Биология – комплексная наука. Разделы науки биологии классифицируются по следующим направлениям:   

1) изучению систематических групп (по объектам исследования). Например, зоология, ботаника, вирусология. В пределах этих наук имеются узкие направления (или дисциплины). Например, в зоологии выделяют протозоологию, гельминтологию, энтомологию и др.   

2) изучению разных уровней организации живого: молекулярная биология, гистология и др.   

3)  свойствам и проявлениям жизни отдельных организмов. Например, физиология, генетика, экология.   

4)  связям с другими науками (в результате интеграции наук). Это биохимия, биофизика, биотехнология, радиобиология и др. 

Методы изучения биологии

            Основными методами, которые используются в биологических науках, являются:   

1)наблюдение и описание – самый старый (традиционный) метод биологии. Этот метод широко используется и в наше время (в зоологии, ботанике, цитологии, экологии и др.)   

2)сравнение, т.е. сравнительный метод дает возможность найти сходства и различия, общие закономерности в строении организмов.   

3)опыт или эксперимент. Например, опыты Г.Менделя или работы И.П.Павлова в физиологии.

4)моделирование – создание определенной модели или процессов и их изучения. Например, моделирование условий и процессов (недоступных наблюдению) происхождения жизни.   

5)исторический метод – изучение закономерности появления и развития организмов 

Основные свойства живого 

            Живые существа отличаются от неживых тел целым рядом свойств. К основным свойствам живого относятся:

1. Специфическая организация.

            Живые организмы обладают необходимыми структурами, обеспечивающими их жизнедеятельность.    

            Специфическая организация живых существ проявляется и в особенности химического состава. Из химических элементов большая доля приходится на кислород, углерод, водород, азот. В сумме они составляют более 98% химического состава. Эти элементы образуют в живых организмах сложные органические соединения – белки, жиры, нуклеиновые кислоты, углеводы, которые не встречаются в неживой природе.

2. Обмен веществ и энергии.    

            Организмы постоянно совершают обмен веществ и энергии с окружающей средой – это обязательное условие существования.    

            Обмен веществ и энергии слагается из 2х процессов:

а) синтеза или ассимиляции, или пластического обмен (с поглощением энергии).

б) распада или диссимиляции, или энергетического обмена (с выделением энергии).

3. Гомеостаз – поддержание постоянства внутренней среды.    

            В живых существах протекают сложные саморегулирующиеся процессы, которые идут в строго определенном порядке и направлены на поддержание постоянства внутренней среды (например, на постоянство химического состава). При этом организм находится в состоянии динамического равновесия (т.е. подвижного равновесия), что важно при существовании в меняющихся условиях среды.

4. Размножение.    

            Размножение – свойство организмов воспроизводить себе подобных. Каждое живое существо имеет ограниченный срок жизни, но, оставляя после себя потомство, обеспечивает непрерывность и приемственность жизни.

5. Способность к развитию – изменение объектов живой природы.    

            Индивидуальное развитие (онтогенез) – развитие особи в большинстве случаев начинается от зиготы (оплодотворенной яйцеклетки) или от деления материнской клетки до конца жизни. В ходе онтогенеза происходит рост, дифференцировка клеток, тканей, органов, взаимодействие отдельных частей. Продолжительность жизни особей ограничивается процессами старения, приводящими к смерти.    

            Филогенез – историческое развитие мира живых организмов. Филогенез – это необратимое и направленное развитие живой природы, которое сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом исторического развития является разнообразие живых существ.

6. Раздражимость.    

            Раздражимость – способность организма отвечать на воздействия определенными реакциями. Формой проявления раздражимости является движение.     

            У растений – тропизм (например, изменение положения листьев в пространстве из-за освещенности – фототропизм).    

            У одноклеточных животных – таксисы.

            Реакции многоклеточных на раздражение осуществляются с помощью нервной системы и называются рефлексами.

7. Наследственность.    

            Наследственность – свойство организмов передавать из поколения в поколение характерные признаки вида с помощью носителей наследственной информации, молекул ДНК и РНК.

8. Изменчивость.    

            Изменчивость – это свойство организмов  приобретать новые признаки. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора.

            На основании свойств живого ученые пытаются дать определение понятию «жизнь». Современному состоянию развития биологии лучше всего соответствует определение жизни, данное ученым – биофизиком М.В. Волькенштейном: «Живые тела представляют собой  открытые саморегулирующиеся, самовоспроизводящиеся системы, построенные из полимеров – белков и нуклеиновых кислот и поддерживающие свое существование в результате обмена веществ и энергии с окружающей средой».    

            В это определение входят признаки живого. Каждая клетка и организм в целом являются системой, т.е. представляют собой совокупность взаимодействующих, упорядоченных структур (органоидов, клеток тканей, органов). Живые существа – это открытые системы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с внешней средой. Живые существа осуществляют непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой (поглощение и выделение, ассимиляция и диссимиляция).   

Уровни организации живых существ 

            Жизнь на Земле представляет собой целостную систему, состоящую из различных структурных уровней организации биологических существ. Выделяют несколько основных уровней организации (разделение имеет условный характер)

            Молекулярно-генетический.    

            Биология начинается с молекулярного уровня, т.к. атомный уровень не несет следов биологической специфичности. Этот уровень исследует молекулы ДНК, РНК, белки, гены и их роль в хранении и передаче генетической информации, в обмене веществ и превращении энергии. Биология изучает законы, характерные для этого уровня.

            Клеточный.    

            Структурной, функциональной и генетической единицей живых существ является клетка. Вирусы, будучи неклеточной формой организации живого, проявляют свои свойства как живые организмы только внедрившись в клетки.  На клеточном уровне изучают строение клеток и клеточных компонентов, самовоспроизведение, реализацию наследственной информации, обмен веществ и энергии, происходящих на уровне клетки.

            Организменный.    

            Структурной единицей на этом уровне служит организм, особь. Организм – самостоятельно существующая в среде система. На этом уровне протекают процессы онтогенеза. В ходе онтогенеза реализуется наследственная информация в определенных условиях внешней среды, т.е. формируется фенотип организма данного биологического вида.

            Популяционно-видовой.

            Элементарной единицей вида является популяция. На этом уровне изучается обмен генетической информации при скрещивании, изменения генетического состава популяций, факторы, влияющие на динамику генетического состава популяций, проблемы сохранения исчезающего вида.

            Экосистемный.    

            Структурной единицей этого уровня являются экосистемы, под которыми понимаются участки земной поверхности с определенными природно-климатическими условиями и связанные с ними сообщества микроорганизмов, животных и растений, которые образуют неразделимый взаимообусловленный комплекс. Этот уровень изучает круговорот веществ и поток энергии, которые связаны с жизнедеятельностью всех живых организмов. Экосистемы составляют биосферу - область распространения жизни на Земле. Выделяют социальный уровень, характерный для человека.    

            Все уровни организации тесно объединены между собой, что свидетельствует о целостности живой природы. Без биологических процессов, которые осуществляются на этих уровнях, невозможно существование жизни на Земле.    

            Человек и все человечество – составляющая часть биосферы. Здоровье человека зависит от состояния биосферы, от умения приспосабливаться к меняющимся условиям среды. Если эта способность проявляется недостаточно, то могут возникнуть нарушения, которые затрагивают различные уровни жизни (клеточный, организменный).

Учение о клетке

            Цитология (от цито... и ...логия) – это наука о клетке.  Изучает строение и функции клеток, их связи и отношения в органах и тканях у многоклеточных организмов, а также одноклеточные организмы.

            Основные положения современной клеточной теории (Т. Шванн, М Шлейден, 1838 -  1839):

- клетка - основная единица строения, функционирования и развития всех живых организмов;

 - клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;

 - размножение клеток происходит путем их деления, каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;

- в сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым ими функциям и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены нервной и гуморальной регуляциям.

Все живые существа на Земле, за исключением вирусов, построены из клеток.

Химический состав клетки

            Из 120 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено значительное их большинство. В клетке содержатся и макроэлементы, и микроэлементы).

            Неорганические вещества:

            – вода (75 – 85%).

            Функции:

1. Растворитель

2. Транспорт веществ  

3. Создание среды для химических реакций                                     

4. Участие в образовании клеточных  структур (цитоплазма)

5. Участие в реакциях гидролиза, фотосинтез

6. Терморегуляции

- минеральные соли – 1-1,5%

Важнейшие катионы: Na ⁺ K ⁺ Ca ²⁺ Mg ²⁺

§  Na ⁺ K⁺  Cl ^- - возбудимость живых организмов

§  Ca ²⁺ Mg ²⁺ Zn ²⁺ Mn²⁺  - образование углеводов в

§  процессе фотосинтеза

Важнейшие анионы: H₂ РО₄^-     Cl^-     HCО₃^-

            Органические вещества:

1.Углеводы: 0,2 – 2%

Функции:

1.Энергетическая

2. Структурная  

3. Запасающая

2. Жиры  1- 5% – один из классов липидов, сложные эфиры глицерина и жирных кислот. В клетках содержится от 1 до 5% жиров.

Функции:

1. Энергетическая

2. Строительная

3. Защитная (термоизоляция)

3.Белки 10 – 20 %- биополимемономерами которых  являются аминокислоты.

            В состав белков входят углерод, водород, азот, кислород, сера. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь.

            Различают:

заменимые аминокислоты — могут синтезироваться;

незаменимые аминокислоты — не могут синтезироваться, должны поступать в организм вместе с пищей. Растения синтезируют все виды аминокислот.

            В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают:

полноценными — содержат весь набор аминокислот;

неполноценными — какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют.

Простые  белки  - состоят только из аминокислот.

Сложные  белки  - содержат помимо аминокислот еще и незаминокислотный компонент (металлы (металлопротеины), углеводы (гликопротеины), липиды (липопротеины), нуклеиновые кислоты (нуклеопротеины).

В строении молекулы белка различают 4 структуры:

            Первичная структура белка — последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

            Вторичная структура — упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль. Витки спирали укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами и аминогруппами.

            Третичная структура — укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных).

            Четвертичная структура  - для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами.

            Процесс разрушения структуры белка - денатурация.

Функции:

1. Пластическая (образование клеточных мембран и органоидов клетки)

2. Каталитическая (ферменты – биологические катализаторы – ускоряют химические реакции).

3. Двигательная (сократительные белки) – сокращение мышц, движение листьев растений

4. Транспортная – присоединение химических элементов и биологически – активных веществ и перенос их к различным органам и тканям).

5.Энергетическая.

            Ферменты, или энзимы, — класс белков, биологические катализаторы. Благодаря ферментам биохимические реакции протекают с огромной скоростью.

            Ферменты — глобулярные белки, по особенностям строения ферменты можно разделить на две группы: простые и сложные. Простые ферменты состоят только из аминокислот. Сложные  - являются сложными белками.

4. Нуклеиновые кислоты: 1 – 2% обеспечивают хранение и передачу наследственной информации. Синтез белка.

Ø  ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) –  молекула, состоящая из двух спирально закрученных полинуклеотидных цепей. Мономером ДНК является дезоксирибонуклеотид, состоящий из:

    1. азотистого основания: аденина (А), цитозина (Ц), тимина (Т) или гуанина (Г),

    2. пятиатомного сахара пентозы (дезоксирибозы)

    3. фосфата (остаток фосфорной кислоты)

Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь, причём против

А – Т, Г – Ц – правило комплементарности.   

            Репликация ДНК — процесс самоудвоения молекулы ДНК с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. «Строительным материалом» и источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), содержащие три остатка фосфорной кислоты. При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка фосфорной кислоты отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование фосфодиэфирной связи между нуклеотидами

Ø  РНК (рибонуклеиновая кислота) – молекула, состоящая из одной цепи нуклеотидов.

    Рибонуклеотид состоит:

• 1. из четырех азотистых оснований, но вместо тимина (Т)  - урацил (У),

т. е.: А – У,  Г – Т – по правилу комплементарности.

• 2.  вместо дезоксирибозы – рибоза (рибоза отвечает за синтез белка)
• 3. Фосфат (остаток фосфорной кислоты)

            Выделяют три вида РНК: 1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК — тРНК, 3) рибосомная РНК — рРНК.

            Все виды РНК принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК.

            Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.

            Транспортные РНК содержат от 75 до 95 нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000–30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке.

            Функции тРНК:

 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам,

 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов.

            Рибосомные РНК содержат 3000–5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000–1 500 000. На долю рРНК приходится 80–85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках.

            Функции рРНК: 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.

            Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке.

            Функции иРНК: 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.

5. АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) –  это нуклеотид,  относящийся к группе нуклеиновых кислот): 0,1 – 0,5%

      Молекула АТФ состоит:

     1. из азотистого основания аденина

     2. пятиуглеродного моносахарида рибозы

     3. трех остатков фосфорной кислоты, соединённых друг с другом   

         высокоэнергетическими   связями.

            Функции:    

1.      Использование энергии  в процессах биосинтеза, при движении, при производстве тепла, при проведении нервных импульсов, в процессе фотосинтеза и т.д .

2.      АТФ  - универсальный аккумулятор энергии в живых организмах

6. ГОРМОНЫ - органические соединения, продукты секреции эндокринных желез, выделяющиеся прямо в кровоток и обладающие высокой физиологической активностью.

Главные эндокринные железы– гипофиз,эпифиз, щитовидная и паращитовидные железа, кора надпочечников, поджелудочная железа, половые железы.

7. Витамины - органические вещества, необходимые для регуляции обмена веществ и нормального течения процессов жизнедеятельности.

            Функции: влияние на обмен веществ, рост и развитие организма, его сопротивляемость к заболеваниям.

            Известно более 25 витаминов. Их обозначают буквами латинского алфавита A, B, C, D и цифрами, определяющими порядок открытия  – B1, B2, B12 и др. Нехватка ведет к гиповитаминозам, избыток – к гипервитминозам.

            Авитаминоз - отсутствие витаминов.

Прокариотическая клетка

Ø  Не имеют оформленного ядра

Ø  Наследственная информация передается через молекулу ДНК, которая образует нуклеотид.

Ø  Функции органоидов

     выполняют ограниченные мембранами полости

Ø  Бактерии и Сине –  зеленые водоросли

                                Бактериальная клетка                  Формы бактерий:

1 — кокки; 2 — бациллы; 3 — вибрионы;

4—7 — спириллы и спирохеты.

            Вирусы — неклеточные формы жизни, внутриклеточные паразиты, паразитируют на генетическом уровне.

            Состав -  нуклеиновые кислоты (либо ДНК, либо РНК) и белков, образующих оболочку вокруг этой нуклеиновой кислоты. В состав некоторых вирусов входят липиды и углеводы. 

            Размеры вирусов — 10–300 нм. Форма вирусов: шаровидная, палочковидная, нитевидная, цилиндрическая и др.

            Капсид — оболочка вируса, образована белковыми субъединицами, уложенными определенным образом. Капсид защищает нуклеиновую кислоту вируса от различных воздействий, обеспечивает осаждение вируса на поверхности клетки-хозяина. Суперкапсид  - у сложноорганизованных вирусов (ВИЧ, вирусы гриппа, герпеса).

            Бактериофаги - вирусы, паразитирующие в бактериальных клетках, Состоят из головки, хвостика и хвостовых отростков, с помощью которых он осаждается на оболочке бактерий. В головке содержится ДНК или РНК. Фаг частично растворяет клеточную стенку и мембрану бактерии и за счет сократительной реакции хвостика «впрыскивает» свою нуклеиновую кислоту в ее клетку.Только паразитируя в клетке-хозяине, вирус может репродуцироваться, воспроизводить себе подобных.

Вирусы способны паразитировать в клетках большинства существующих живых организмов, вызывая различные заболевания .

            Возбудитель СПИДа — вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) — ретровирус. Имеет сферическую форму, диаметром 100–150 нм.

            Вирус иммунодефицита человека поражает CD4-лимфоциты (хелперы), на поверхности которых есть рецепторы, способные связываться с поверхностным белком ВИЧ. Кроме того, ВИЧ проникает в клетки ЦНС, нейроглии, кишечника. Иммунная система организма человека утрачивает свои защитные свойства и оказывается не в состоянии противостоять возбудителям различных инфекций.

            СПИД передается половым путем, через кровь и ткани, содержащие вирус иммунодефицита, от матери к плоду.

Эукариотическая клетка

Ø  Есть четко оформленные ядра, имеющие собственную оболочку.

Ø  Ядерная ДНК у них заключена в хромосомы.

Ø  В цитоплазме имеются различные органоиды, выполняющие специфические функции

Ø  Царство Грибов, Растений и Животных.

Строение клетки.

Ø  Плазматическая мембрана клетки

Плазматическая мембрана. Каждая клетка животных, растений, грибов ограничена от окружающей среды или других клеток плазматической мембраной. Липиды в мембране образуют двойной слой, а белки пронизывают всю ее толщину. Функции: Cохранение формы клетки, защита от повреждений, регулятор поступления и удаления веществ.

Ø  Клеточная мембрана – ультрамикроскопическая плёнка, состоящая из двух мономолекулярных слоев белка и расположенного между ними бимолекулярного слоя липидов.

Функции: барьерная, связь с окружающей средой (транспорт веществ),

связь между клетками тканей в многоклеточных организмах, защитная.

Ø  Цитоплазма  –  полужидкая среда клетки, в которой располагаются органоиды клетки. Цитоплазма состоит из воды и белков. Она способна двигаться со скоростью до 7 см/час.Движение цитоплазмы внутри клетки называют циклозом.

В клетке выделяют органоиды. Органоиды – это постоянные клеточные структуры, выполняющие определённые  функции.

Органоиды, их функции и значение.

            1. Цитоплазматический матрикс -  внутренняя среда клетки.

Компоненты цитоплазматического матрикса осуществляют процессы биосинтеза в клетке и содержат ферменты, необходимые для продуцирования энергии.

            2. Эндоплазматическая сеть 

Сеть  многочисленных ветвящихся мелких каналов и полостями, стенки которых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре с плазматической мембраной. Различают  гранулярную и гладкую ЭС. Функции

l  Синтез органических веществ (с помощью рибосом)

l  Транспорт веществ

            3. Клеточное ядро

В структуре ядра выделяют: ядерную оболочку, нуклеоплазму, ядрышко, хроматин.

функции: хранение наследственной информации и регуляция обмена веществ в клетке.

Строение ядра:

 1 — наружная мембрана; 2 — внутренняя мембрана; 3 — поры; 4 — ядрышко; 5 — гетерохроматин; 6 — эухроматин.

            Хромосомы 

            Хромосома состоит из двух хроматид и после деления ядра становится однохроматидной. К началу следующего деления у каждой хромосомы достраивается вторая хроматида. Хромосомы имеют первичную перетяжку, на которой расположена центромера; перетяжка делит хромосому на два плеча одинаковой или разной длины.

В хромосомах синтезируются ДНК, РНК, что служит необходимым фактором передачи наследственной информации при делении клеток и построении молекул белка.

            4. Клеточный центр - состоит из двух центриолей (дочерняя, материнская). Каждая имеет цилиндрическую форму, стенки образованы девятью триплетами трубочек, а в середине находится однородное вещество. Центриоли расположены перпендикулярно друг к другу.

Функция клеточного центра - участие в делении клеток животных и низших растений

            5. Рибосомы – ультрамикроскопические органеллы округлой или грибовидной формы, состоящие из двух частей — субчастиц. Они не имеют мембранного строения и состоят из белка и РНК. Субчастицы образуются в ядрышке.

Находятся в цитоплазме в свободном состоянии или на мембранах эндоплазматической сети, содержатся в митохондриях и хлоропластах. Функция рибосом – биосинтез белка.

Строение рибосом: 1 — большая субъединица; 2 — малая.

            6. Митохондрии - микроскопические органеллы, имеющие двухмембранное строение. Внешняя мембрана гладкая, внутренняя — образует различной формы выросты — кристы. В матриксе митохондрии (полужидком веществе) находятся ферменты, рибосомы, ДНК, РНК. Число митохондрий в одной клетке от единиц до нескольких тысяч.

            Функции:

·         Синтез АТФ

·         Синтез собственных органических веществ,

·         Образование собственных рибосом.

Строение митохондрии: 1 — наружная мембрана; 2 — внутренняя мембрана; 3 — матрикс; 4 — криста; 5 — мультиферментная система; 6 — кольцевая ДНК.

            7. Аппарат Гольджи 

            В клетках растений и простейших аппарат Гольджи представлен отдельными тельцами серповидной или палочковидной формы. В состав аппарата Гольджи входят: полости, ограниченные мембранами и расположенные группами (по 5-10), а также крупные и мелкие пузырьки, расположенные на концах полостей. Все эти элементы составляют единый комплекс.

            Функции: 1) накопление и транспорт веществ, химическая модернизация, 2) образование лизосом, 3) синтез липидов и углеводов на стенках мембран.

            8. Пластиды

            Пластиды - это энергетические станции растительной клетки. Они могут превращаться из одного вида в другой. Выделяют несколько видов пластидов: хлоропласты, хромопласты, лейкопласты. Функции:

•          Синтез АТФ

•          Синтез углеводов

•          Биосинтез собственных белков

Строение пластид: 1- наружная мембрана;  2 — внутренняя мембрана; 3 — строма; 4 — тилакоид; 5 — грана;  6 — ламеллы; 7 — зерна крахмала; 8 — липидные капли. Хлоропласты – зелёные пластиды, содержащие зелёный пигмент – хлорофилл, выполняют функцию фотосинтеза; Хромопласты - окрашивание цветов и плодов и тем самым привлечение опылителей и распространителей семян. Лейкопласты - бесцветные пластиды; синтез, накопление и хранение запасных питательных веществ

            9. Лизосомы - микроскопические одномембранные органеллы округлой формы Их число зависит от жизнедеятельности клетки и ее физиологического состояния. Лизосома - это пищеварительная вакуоль, внутри которой находятся растворяющие ферменты. В случае голодания клетки перевариваются некоторые органоиды. В случае разрушения мембраны лизосомы, клетка переваривает сама себя.  Функции:

l  Расщепление органических веществ,

l  Разрушение отмерших органоидов клетки,

l  Уничтожение отработавших клеток.

            10. Цитоскелет -  образован микротрубочками и микрофиламентами.

            Микротрубочки — цилиндрические неразветвленные структуры. Длина микротрубочек колеблется от 100 мкм до 1 мм, диаметр составляет примерно 24 нм, толщина стенки — 5 нм. Основной химический компонент — белок тубулин.

            Микрофиламенты — нити диаметром 5–7 нм, состоят из белка актина.

            Функции цитоскелета: 1) определение формы клетки, 2) опора для органоидов, 3) образование веретена деления, 4) участие в движениях клетки, 5) организация тока цитоплазмы.

            11. Клеточный центр

- включает в себя две центриоли и центросферу. Центриоль представляет собой цилиндр, стенка которого образована девятью группами из трех слившихся микротрубочек (9 триплетов), соединенных между собой.

            Функции: 1) обеспечение расхождения хромосом к полюсам клетки во время митоза или мейоза, 2) центр организации цитоскелета.

            12.Органоиды движения

- реснички (инфузории, эпителий дыхательных путей), жгутики (жгутиконосцы, сперматозоиды), ложноножки (корненожки, лейкоциты), миофибриллы (мышечные клетки) и др.

Способы питания клетки.

            Крупные молекулы белков и полисахаридов проникают в клетку путем фагоцитоза (от греч. фагос - пожирающий и китос - сосуд, клетка), а капли жидкости - путем пиноцитоза (от греч. пино - пью и китос).

            Фагоцитоз – это способ питания животных клеток, при котором в клетку попадают питательные вещества. Пиноцитоз – это универсальный способ питания (и для животных, и для растительных клеток), при котором в клетку попадают питательные вещества в растворённом виде.

Фотосинтез и хемосинтез.

Фотосинтез – это процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии света. Фотосинтез в растительных клетках идет в хлоропластах. Суммарная формула фотосинтеза:

6СО2 + 6Н2О + СВЕТ = С6Н2О6 + 6О2

Световая фаза фотосинтеза идет только на свету: квант света выбивает электрон из молекулы хлорофилла, лежащей во внутренней мембране тилакоида; выбитый электрон либо возвращается обратно, либо попадает на цепь окисляющихся друг друга ферментов. Цепь ферментов передает электрон на внешнюю сторону мембраны тилакоида к переносчику электронов. Мембрана заряжается отрицательно с наружной стороны.

Положительно заряженная молекула хлорофилла, лежащая в центре мембраны, окисляет ферменты, содержащие ионы марганца, лежащие на внутренней стороне мембраны. Эти ферменты участвуют в реакциях фотосинтеза воды, в результате которых образуется Н+; протоны водорода выбрасываются на внутреннюю поверхность мембраны тилакоида, и на этой поверхности появляется положительный заряд. Когда разность потенциалов на мембране тилакоидов достигает 200 мВ, через АТФ – синтетазы начинают проскакивать протоны, за счет энергии движения которых синтезируется АТФ.

В темновую фазу из СО2 и атомарного водорода, связанного с переносчиками, синтезируется глюкоза. Суммарное уравнение темновой стадии.

6СО2 + 24Н = С6Н2О6 + 6Н2О

Тилакоид – вырост внутренней мембраны хлоропласта. Для темновых реакций в хлоропласт непрерывно поступают исходные вещества и энергия. Оксид углерода поступает в лист из окружающей атмосферы, водород образуется в световую фазу фотосинтеза в результате расщепления воды. Источником энергии служит АТФ, которая синтезируется в световую фазу фотосинтеза. Все эти вещества транспортируются в хлоропласт, где и осуществляется синтез углеводов.

Хемосинтез – синтез органических соединений за счет энергии реакций окисления неорганических соединений. Хемосинтез свойственен для железобактерий и серобактерий. Первые из них используют энергию, освобождающуюся при окислении двухвалентного железа в трехвалентное; вторые окисляют сероводород до серной кислоты.

Строение и жизнедеятельность растительной и животной клетки.

В строении и жизнедеятельности растительной и животной клеток много общего.

Общие черты растительных и животных клеток:

Принципиальное единство строения.

Сходство в протекании многих химических процессов в цитоплазме и ядре.

Единство принципа передачи наследственной информации при делении клетки.

Сходное строение мембран.

Единство химического состава.

У растительной клетки: способ питания автотрофный, присутствуют пластиды – органы, содержащие пигменты.

В клетках животных отсутствует плотная клеточная стенка, нет пластид. Нет в животной клетке и центральной вакуоли. Центриоль характерна для клеточного центра животных клеток.

Черты сходства указывают на близость их происхождения. Признаки различия говорят о том, что клетки вместе с их владельцами прошли длительный путь исторического развития.

Гены и хромосомы как материальные основы наследственности. Их строение и функционирование.

Ген – участок молекулы ДНК, определяющий наследование того или иного признака. Это участок хромосомы.

Хромосомы – носители наследственной информации. Они содержат ДНК в комплексе с основным белком, РНК, кислые белки, липиды, минеральные вещества и фермент ДНК – полимераза, необходимый для репликации.

Функция хромосом – контроль над всеми процессами жизнедеятельности клетки.

Число, форма и размеры хромосом – главный признак, генетический критерий вида. Изменение числа, формы или размера хромосом – причина мутации.

Ген – матрица для синтеза и-РНК, а и-РНК матрица для синтеза белка. Матричный характер реакций самоудвоения молекул ДНК, синтеза и-РНК, белка – основа передачи наследственной информации от гена к признаку, которая определятся молекулами белка. Многообразие белков, их специфичность, многофункциональность – основа формирования различных признаков у организма, реализации заложенных в генах наследственной информации.

Наследственная информация передается путем репликации молекулы ДНК.

Биосинтез белков. Транскрипция и трансляция.

Процесс биосинтеза белка включает в себя ряд последовательно протекающих событий:

В ядре клетки: репликация ДНК (транскрипция) информационная РНК

В цитоплазме с помощью рибосом: Информационная РНК (трансляция) белок

Синтез информационной РНК (и-РНК) происходит в ядре.

Транскрипция – процесс переписывания информации, содержащейся в генах ДНК на синтезируемую молекулу и-РНК.

Трансляция – процесс сборки молекулы белка, идущий в рибосомах.

Молекулы и-РНК выходят из ядра клетки через поры оболочки ядра и направляются в цитоплазму к рибосомам. Сюда же доставляются аминокислоты. Рибосома по цепочке и-РНК делает шаг, равный трем нуклеотидам. Аминокислота отделяется от т-РНК и становится в цепочку мономеров белка. Освободившаяся т-РНК уходит в сторону и через некоторое время может снова соединиться с определенной кислотой, которую будет транспортировать к месту синтеза белка. Таким образом, последовательность нуклеотидов в триплете ДНК соответствует последовательности нуклеотидов в триплете и-РНК

Деление клетки.

Биологическое значение митоза.

1.      В результате митоза образуется 2 клетки, каждая из которых содержит столько же хромосом, сколько их было в материнской. Дочерние клетки генетически идентичны материнской.

2.      Главный механизм роста.

3.      Митоз обеспечивает регенерацию утраченных частей и замещение клеток.

      Митотический цикл:

1.      интерфаза

2.      митоз

      Интерфаза – промежуток между двумя клеточными делениями. Продолжительность её – до 90% всего клеточного цикла. Характеризуется  периодом роста, удвоением молекулы ДНК. Каждая хромосома теперь состоит из двух хроматид, а число хромосом не меняется. 2n4с (n- число хромосом, с – число ДНК). Интенсивные процессы синтеза белков, входящих в состав хромосом. Синтез ферментов и энергетических веществ, необходимых для процесса деления.

      Митоз - 4 стадии:

      1)Профаза- (2n4с) Хромосомы спирализуются, уплотняются, укорачиваются

К концу профазы каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединённых центромерой. Хромосомы начинают передвигаться к клеточному экватору. Формируется веретено деления, ядерная оболочка исчезает, и хромосомы свободно располагаются в цитоплазме.

      2)Метафаза (2n4.) Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора. Центромеры хромосом строго лежат в плоскости экватора. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом.

      3)Анафаза (4n4с) Начинается с деления центромер всех хромосом, хроматиды превращаются в две самостоятельные дочерние хромосомы. Затем дочерние хромосомы начинают расходится к полюсам клетки.

      4)Телофаза (2n2с) Хромосомы концентрируются на полюсах клетки и деспирализуются. Веретено деления разрушается. Вокруг хромосом формируется оболочка ядер дочерних клеток, затем происходит деление цитоплазмы клетки (цитокинез).

Организм. Размножение и индивидуальное развитие организмов.

            Размножение-свойство живых организмов воспроизводить себе подобных. Выделяют две основные формы размножения: бесполое и половое.

            Бесполое размножение способствует сохранению наибольшей приспособленности в неменяющихся условиях обитания, т.к. образуются генетически точные копии родителей.

1.      Бесполое 

ü  принимает участие только одна клетка;

ü  осуществляется без участия половых клеток;

ü  в основе размножения – митоз;

ü  дочерние клетки являются точной копией материнской;

ü  преимущество – быстрое увеличение численности (бактерии, грибы, простейшие, многие растения, низшие животные).

Ø  Спорообразование – осуществляется посредством специализированных клеток грибов, растений, простейших, лишайников. Спора со жгутиком – зооспора (хламидомонада);

Ø  Бинарное деление -  митотическое деление, при котором образуется 2 равноценные дочерние клетки (амёба);

Ø  Множественное деление (шизогония). Материнская клетка распадается на большое количество примерно одинаковых дочерних клеток (малярийный плазмодий);

Ø  Вегетативное размножение – размножение новой особи из материнской, либо из особых структур (луковица, клубень, отростки, отводки, деление куста);

Ø  Почкование – образование выроста – почки, на материнской особи и последующее её отделение (бактерии, дрожжевые грибы, гидра, губки, сосущие инфузории (одноклеточные);

Ø  Фрагментация – разделение особи на 2 или несколько частей, каждая из которых развивается в новую особь (у растений – спирогира, у животных – кольчатые черви). В основе фрагментации лежит свойство регенерации;

Ø  Полиэмбриония -  - размножение во время эмбрионального развития, при котором из одной зиготы развивается несколько зародышей – близнецов (однояйцевые близнецы у человека) Потомство всегда одного пола.

Ø  Клонирование – искусственные способ бесполого размножения. Клон – идентичное потомство, полученное из одной особи, в результате того или иного способа бесполого размножения.

2. Половое – слияние двух половых клеток, потомство несёт признаки родителей.

            При половом размножении происходит рекомбинация наследственного материала и появляется потомство, генетически отличное от родителей. 

            Половое размножение характерно для многоклеточных, но существует и у одноклеточных организмов. Выделяют две формы полового процесса у одноклеточных:

                        1) конъюгация – при этой форме половые клетки не образуются

                        2) гаметическая копуляция – когда формируются половые клетки и происходит их попарное слияние.    

ü  партеногенез  - форма размножения из половой клетки «яйцеклетки» без оплодотворения (дафнии, тли, трутни, тутовый шелкопряд, скальные ящерицы);

ü  гермафродитизм – наличие у одной особи признаков мужского и женского пола (ленточные черви, сосальщики).

            Конъюгация как своеобразная форма полового процесса существует у инфузорий. Две инфузории временно соединяются, между ними образуется цитоплазматический мостик, через который происходит обмен наследственной информацией. Затем инфузории расходятся и у них появляются новые свойства и признаки.    

            Копуляцией называется половой процесс у одноклеточных организмов, при котором две особи приобретают половое различие, т.е. превращаются в гаметы и полностью сливаются, образуя зиготу.   

            Виды копуляции:

1) изогамия – две половые клетки не имеют внешних различий, обе маленькие и подвижные,

2) анизогамия – мужская половая клетка маленькая и подвижная, женская – крупная и тоже подвижная. Сливаться могут как маленькая с большой, так и две маленькие,

3) овогамия – половые клетки различны по форме и размерам. 

Гаметогенез

            Гаметогенез-развитие половых клеток - гамет. Развитие мужских половых клеток называется - сперматогенез, а женских – овогенез. 

Сперматогенез

            Развитие сперматозоидов происходит в извитых канальцах семенника. Стенки этих канальцев состоят из соединительной тканной основы и слоя сертолиевых клеток. Крупные клетки Сертоли обеспечивают созревающим сперматозоидам механическую опору, защиту и питание. Эти клетки секретируют и жидкость, с которой сперматозоиды проходят по канальцам семенника. Между клетками Сертоли находятся половые клетки на различных стадиях развития. У человека сперматозоиды образуются с момента наступления половой зрелости до самой смерти.     

            В сперматогенезе, как и в овогенезе, различают несколько периодов.

1.      Период размножения. На этой стадии из первичных половых клеток образуются сперматогонии, которые  несколько раз делятся путем митоза, в результате чего их количество возрастает. Сперматогонии имеют округлую форму, относительно большое ядро и небольшое количество цитоплазмы (2с2п).     

2.      Период роста. В этом периоде происходит рост половых клеток, интерфаза мейоза (репликация ДНК), накопление питательных веществ, образующиеся клетки носят название  сперматоцитов I порядка (4с2n). Ядро их проходит стадию профазы мейоза I, т.е. совершается конъюгация гомологичных хромосом, кроссинговер и образуются биваленты.    

3.      Период созревания заключается в том, что происходят два последовательных мейотических деления. В результате первого деления из каждого сперматоцита I порядка образуются два сперматоцита II порядка (2с 1n), а после второго деления – 4 одинаковые по размерам сперматиды – мелкие округлые клетки. При этих делениях происходит уменьшение (редукция) числа хромосом вдвое (сДНК, n хромосом).     Сперматиды вступают в 4 период – формирования и превращаются в сперматозоиды. Сперматозоиды состоят из головки, шейки и хвостовой части (жгутик). Основную массу головки сперматозоида составляет ядро,  цитоплазма практически отсутствует. В передней части головки образуется акросома (преобразованный аппарат Гольджи), содержащая фермент гиалуронидазу, который растворяет оболочки яйцеклетки во время оплодотворения. В средней части сперматозоида – шейке – располагаются центриоль и спиральная нить, образованная митохондриями. Микротрубочки одной из центриолей удлиняются, образуя осевую нить жгутика. Хвостовая часть сперматозоида образована 9 парами периферических микротрубочек, окружающих пару центральных «9+2»).     

            Продолжительность сперматогенеза у человека около 80 суток. Мужские половые клетки образуются в очень большом количестве. Так, в 3 см3 эякулята содержится 120150 млн. сперматозоидов. За время половой жизни мужчина продуцирует не менее 500 млр. сперматозоидов.   

Овогенез (оогенез)

            Овогенез протекает в яичнике и включает периоды размножения, роста, созревания. В период размножения из зачатковых клеток гонобластов путем митозов увеличивается число диплоидных половых клеток – овогоний. Этот период завершается до рождения. Большая часть клеток гибнет.     

            Период роста – объем клеток увеличивается в сотни раз за счет накопления желтка и образуется овоцит I порядка. Происходит репликация ДНК (4с 2n).    

            Овоциты I порядка вступают в профазу I деления мейоза. Эта фаза у человека длится до полового созревания. С момента полового созревания происходит завершение первого деления мейоза и образуется маленькая клетка – направительное тельце и крупный овоцит II порядка (2с 1n). После второго деления мейоза овоцит II порядка снова делится и образуется 1 овотида (гаплоидная яйцеклетка) и направительное тельце. Первое направительное тельце тоже делится на два. Образующиеся направительные клетки затем исчезают.   

            У позвоночных рост овоцитов сопровождается образованием вокруг него фолликулярных клеток, которые регулируют синтез желтка в клетке, а на поздних стадиях овогенеза секретируются гормоны, индуцирующие созревание овоцита, фолликулярный слой выполняет защитную функцию. У человека мейоз завершается после оплодотворения.

            Особенности овогенеза по сравнению со сперматогенезом:

- отсутствие периода формирования, 

- протекание периода размножения в эмбриогенезе,

- длительная фаза роста, - образование при созревании неодинаковых клеток,

- прекращение после менопаузы с полным исчезновением половых клеток.   

            Гермафродитизм – наличие органов мужского и женского пола у одной и той же особи. Различают гермафродитизм естественный и аномальный.    

Естественный гермафродитизм широко распространен у животных (плоские черви). Организм продуцирует как яйцеклетки так и сперматозоиды.     

            Аномальный гермафродитизм наблюдается как у животных, так и у человека. Он может быть истинным, когда у одной особи имеются либо одновременно мужские и женские половые железы, либо одна  половая железа, содержащая как женские, так и мужские половые клетки.  Или ложным, когда у особи имеются половые железы одного пола, а наружные половые органы и вторичные половые признаки полностью или частично соответствуют признакам другого пола. Например, мужеподобные самки и женоподобные самцы.         

            В основе полового размножения – мейоз.

            Значение мейоза

Ø  поддержание постоянного числа хромосом вида из поколения в поколение;

Ø  основа комбинативной изменчивости.

            Сущность мейоза  - каждая половая клетка получает одинарный(гаплоидный) набор хромосом, во время него создаются новые комбинации генов путём сочетания разных материнских и отцовских хромосом.

            Мейоз – непрямое деление, состоит из двух последующих делений; происходит в половых клетках.

1.Профаза 1(2n4с) n – хромосомы с – ДНК	Демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к полюсам клеток, формирование нитей веретена деления, спирализация двухроматидных хромосом, соединённых центромерой, конъюгация гомологичных хромосом (сближение), образование бивалентов. Кроссинговер – обмен гомологичными (содержащие одни и те же гены) участками.
2.Метафаза 1 (2n4с)	Выстраивание хромосом в экваториальной полости клетки, прикрепление нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим – к центромерам хромосом.
3.Анафаза 1(2n4с)	Случайное независимое расхождение двухроматидных хромосом к противоположным полюсам клетки, перекомбинация хромосом. Число хромосом уменьшается в 2 раза, хромосомный набор-  гаплоидный, но каждая хромосома содержит удвоенное количество ДНК (2с)
4.Телофаза 1, в клетках (1n2с)	Образование ядерных мембран вокруг групп двухроматидных хромосом, деление цитоплазмы.
5.Профаза 2 (1n2с)	Демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к разным полюсам клетки; формирование нитей веретена деления
6.Метафаза 2 (1n2с)	Выстраивание двухроматидных хромосом в экваториальной полости клетки, прикреплений нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим – к центромерам хромосом.
7.Анафаза 2 (2n2с)	Деление двухроматидных хромосом на хроматиды и расхождение сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки. Хромосомы становятся самостоятельными однохроматидными хромосомами, перекомбинация хромосом.
8.Телофаза 2 образование 4 клеток (1n1с)	Деспирализация хромосом, образование вокруг каждой группы хромосом ядерных мембран, распад нитей веретена деления, деление цитоплазмы с образованием двух, а в итоге 4 гаплоидных клеток.

Сравнительная характеристика митоза и мейоза.

Сравнение	Митоз	Мейоз
Сходства	1.      Имеют одинаковые фазы деления
	2.      Перед митозом и мейозом происходит самоудвоение молекул ДНК в хромосомах и спирализация хромосом.
Различия	1.Одно деление	1.2 последовательных деления
	2.В метафазе все удвоенные хромосомы выстраиваются по экватору раздельно	2.Гомологичные удвоенные хромосомы выстраиваются парами (бивалентами)
	3.Нет конъюгации, кроссинговера	3. Конъюгация, кроссинговер
	4.Удвоение молекул ДНК в интерфазе.	4.Между первым и вторым делением – нет интерфазы и не происходит удвоение молекул ДНК.
	5. Образуется 2 диплоидные клетки (соматические)	5. Образуется 4 гаплоидные клетки (половые клетки)
	6. Происходит в половых клетках	6. происходит в созревающих половых клетках
	7.Лежит в основе бесполого размножения	7.Лежит в основе полового размножения

       Амитоз  — прямое деление интерфазного ядра путем перетяжки без образования хромосом, вне митотического цикла. Описан для стареющих, патологически измененных и обреченных на гибель клеток. После амитоза клетка не способна вернуться в нормальный митотический цикл.

Индивидуальное развитие организмов. Эмбриональное и послезародышевое развитие.

Онтогенез – процесс индивидуального развития особи от зиготы при половом размножении (или появлении дочерней особи при бесполом) до конца жизни. Термин «онтогенез» в 1866г. предложил немецкий ученый Э. Геккель. В основе онтогенеза лежит реализация наследственной информации на всех этапах развития.

      Различают 3 типа онтогенеза:

1. Прямое развитие (неличиночное) характерно для рыб, рептилий, птиц.

2. Непрямое развитие (личиночное). Личиночный тип развития сопровождается метаморфозом, который характеризуется структурными преобразованиями особи. Различают развитие с неполным метаморфозом: 3 стадии (земноводные, прямокрылые) и с полным метаморфозом: 4 стадии (двукрылые, чешуекрылые).

3. Внутриутробное развитие (млекопитающие, человек).

Онтогенез многоклеточных организмов подразделяют на 3 периода:

- Прогенез (предэмбриональный) – формирование гамет, их слияние и образование зиготы.

- Эмбриогенез (эмбриональный) – начинается с момента образования зиготы и заканчивается рождением или выходом из яйцевых оболочек.

- Постэмбриональный период начинается после рождения или выхода из яйцевых оболочек и завершается старением и смертью.

Для плацентарных млекопитающих и человека онтогенез принято делить на:

- Пренатальный (до рождения)

- Постнатальный (после рождения)

После оплодотворения наступают стадии:

- дробление (зигота делится митозом на две клетки). Две образующиеся клетки разъединяются, затем каждая клетка опять делится также на две и получается зародыш;

- гаструла – зародыш двухслойный, у него появляется кишечная полость, первичное ротовое отверстие, два слоя клеток – эктодерма и эндодерма;

- поздняя гаструла (у всех животных, кроме губок и кишечно-полостных). На этой стадии появляется третий слой клеток – мезодерма;

- нейтрулы (в зародыше хордовых) – формируется осевой комплекс, состоящий из хорды и нервной пластинки. В дальнейшем идет дифференцирование клеток: из эктодермы образуется покровный эпителий, эмаль зубов, нервная система, органы чувств, из энтодермы – эпителий кишечника, пищеварительные железы, легкие. Из мезодермы – скелет, мышцы, кровеносная система, выделительные органы, половая система.

Эмбриональный период развития, его этапы

            Период эмбрионального развития наиболее сложен у высших животных и состоит из нескольких этапов:

1.Образование зиготы

2.Дробление

3.Образование бластулы

4. Гаструляция

5. Гисто- и органогенез    

            Первый этап эмбрионального периода -  образование зиготы. Зигота-одноклеточный зародыш или одноклеточная стадия развития организма. 

             В зиготе происходит ряд процессов:

а) перемещение цитоплазмы (цитоплазматических структур) – это ведет к образованию двусторонней симметрии и полярности.

б) перестройка ЦПМ. Появляется поверхностный (кортикальный) слой. Это исключает слияние зиготы с другими мужскими половыми клетками.

в) образование ядерной оболочки вокруг слившихся пронуклеусов (синкариона)

г) осуществляется синтез РНК, синтез белка.    

            Дробление сопровождается митозом, в результате которого одноклеточный зародыш становится многоклеточным. Однако зародыш не увеличивается в размерах, нет роста клеток, объем зародыша не изменяется, очень короткая интерфаза, отсутствует G1.    

            Клетки, образующиеся в процессе дробления, называются бластомерами. Размер клеток с каждым делением становится все мельче. Характер дробления не одинаков у разных животных и зависит от количества желтка и распределения его в цитоплазме. Чем больше желтка, тем медленнее делится эта часть цитоплазмы.

            Дробление завершается образованием бластулы. Бластула – это многоклеточный однослойный зародыш. 

            Бластула имеет стенку (слой клеток) – бластодерму. Внутри бластул находится полость – бластоцель или первичная полость тела, заполненная жидкостью. Жидкость секретируется бластомерами. В бластуле различают крышу (там, где был анимальный полюс яйцеклетки) и дно (вегетативный полюс клетки) и между ними краевую зону.  

            Гаструляция – период образования зародышевых листков. Гаструляция сложный процесс химических и морфологических изменений, которые сопровождаются делениями клеток, ростом клеток, направленным перемещением и дифференцировкой клеток. В результате этих процессов сначала образуется двухслойный зародыш – гаструла, состоящий из наружного зародышего листка – эктодермы и внутреннего – энтодермы. Эта стадия называется ранняя гаструла. На стадии поздней гаструлы образуется третий зародышевый листок – мезодерма.              

            Зародышевые листки отличаются друг от друга не только своим расположением, но и величиной, формой клеток. Каждый зародышевый листок дает впоследствии начало определенным тканям и органам. Именно на стадии гаструляции впервые удалось обнаружить в больших концентрациях белки, специфичные для некоторых направлений клеточной дифференцировки взрослого организма (например, белок мышечной ткани – миозин).

            Гистогенез – процесс формирования тканей в эмбриогенезе. Органогенез – процесс формирования систем органов в эмбриогенезе.

            На этом этапе эмбрионального развития выделяют две фазы.

1.Нейруляция – образование осевых органов: нервной трубки, хорды. Зародыш на этой стадии называется нейрула.

            Эта фаза протекает следующим образом: из эктодермы на спинной стороне зародыша происходит уплощение группы клеток и формируется нервная пластинка. Края нервной  пластинки приподнимаются и образуются нервные валики. По средней линии нервной пластинки происходит перемещение клеток и возникает углубление – нервный желобок. Края нервной пластинки смыкаются.    

            В результате этих процессов возникает нервная трубка с полостью – нервоцелем. Нервная трубка погружается под эктодерму. Передний отдел нервной трубки образует головной мозг, а остальная часть нервной трубки – спинной мозг.

            Условно процесс образования нервной трубки можно разделить на 3 стадии:

- образование нервной пластинки,

- формирование нервного желобка,

- срастание краев нервной пластинки с образованием нервной трубки.    

            Часть клеток эктодермы спинной стороны зародыша не входит в состав нервной трубки и образует скопление клеток вдоль нервной трубки, называемой ганглиозная пластинкой. Из которой образуются пигментные клетки эпидермиса кожи, волос, перьев, нервные клетки спинномозговых и симпатических нервных узлов.    

            Образование хорды тоже происходит на раннем этапе нейруляции из энтомезодермального (общего с энтодермой и мезодермой) зачатка стенки первичной кишки. Хорда расположена под нервной трубкой    

            Вторая фаза гисто – и органогенеза эмбрионального развития связана с развитием отдельных органов и тканей.    

            Из материала энтодермы образуется эпителий пищевода, желудка и кишечника, клетки печени, часть клеток поджелудочной железы, эпителий легких и воздухоносных путей, секретирующие клетки гипофиза и щитовидной железы.     

            Из материала эктодермы развивается эпидермис кожи и его производные – перо, когти, волосы, молочные железы, кожные железы (сальные и потовые), нервные клетки органов зрения, слуха, обоняния, эпителий ротовой полости, эмаль зубов.

Характеристика постэмбрионального развития

            Постэмбриональный (постнатальный) онтогенез начинается с момента рождения, при выходе из зародышевых оболочек (при внутриутробном развитии) или при выходе из яйцевых оболочек и заканчивается смертью.    

            Продолжительность постэмбрионального онтогенеза у организмов разных видов колеблется от нескольких дней до нескольких десятков лет и является видовым признаком.    

            Постэмбриональный онтогенез у всех живых существ подразделяется на следующие периоды:

1) Ювенильный (дорепродуктивный) – от рождения до полового созревания.

2) Пубертатный (репродуктивный) период зрелости, - организм способен к самовоспроизведению.

3) Пострепродуктивный (период старения) – заканчивается смертью.

            Ювенильный период характеризуется продолжением начавшегося еще в эмбриональный период  органогенеза и увеличением размеров тела. Уже к началу этого периода все органы достигают той степени дифференцировки, при которой молодой организм может существовать и развиваться вне организма матери или вне яйцевых оболочек.    

            С этого времени начинают функционировать пищеварительная система, органы дыхания и органы чувств. Нервная, кровеносная и выделительная системы начинают функционировать еще у зародыша. В течение дорепродуктивного периода окончательно складывается видовые и индивидуальные особенности организма, и особь достигает характерных для вида размеров.

            Ювенильный период называют прогрессивной стадией, т.к. в этот период продолжается рост и развитие организма в условиях прямого воздействия окружающей среды.

            У человека постнатальный онтогенез отличается более длительным периодом детства. Это имеет большое значение, так как в этот период происходит не только физическое и физиологическое развитие организма, но и становление личности.

            Пубертатный период (период зрелости)  называют стабильной стадией, т.к. организм в этот период функционирует как устойчивая система, способная поддерживать постоянство своего внутреннего состава в изменяющихся условиях внешней среды.

            В репродуктивный период осуществляется важная функция организма – размножение, от которого зависит воспроизведение численности вида.

            После периода зрелости наступает период старения, он характеризуется уменьшением интенсивности обмена веществ, ослаблением физиологических, биохимических и морфологических функций – это регрессивный период. Старение приводит к естественной смерти особи.

            В постнатальном периоде, как и в эмбриональном, выделяют несколько критических периодов:

- новорождение – первые дни после рождения в связи с перестройкой всех процессов жизнедеятельности.

-   полового созревания (12-16 лет), когда происходит гормональная перестройка.

-   полового увядания (около 50 лет), когда происходит угасание функций эндокринных  желез.

            Причины критических периодов постнатального онтогенеза те же, что и пренатального: изменение гормонального фона, появление новых и исчезновение старых индукторов, включения и выключения разных блоков генов. 

            Рост организмов – важная характеристика онтогенеза.  Каждое живое существо в процессе онтогенеза, в том числе и постэмбрионального, растет. 

            Рост – это увеличение размеров и массы тела. Рост обеспечивается увеличением количества клеток за счет пролиферации клеток, увеличения размеров клеток, увеличением неклеточного вещества, повышения уровня обменных процессов. 

            Происходит дифференциация клеток, благодаря которой клетки отличаются и морфологически и функционально. 

            Рост и дифференцировка происходит на протяжении всего жизненного цикла организма. 

            И. И. Шмальгаузен (русский зоолог, теоретик эволюционного учения) выдвинул теорию зависимости роста от дифференцировки (зависимость обратная). 

            Эмбриональные и малодифференцированные ткани растут быстрее дифференцированных. С возрастом количество малодифференцированных клеток уменьшается, что приводит к падению интенсивности роста. 

            В филогенезе животного мира отмечается аналогичное явление: максимальная интенсивность постэмбрионального роста животного зависит от уровня его организации. Чем выше уровень организации, тем меньше интенсивность постэмбрионального роста. 

            Таким образом, рост является результатом количественных изменений в виде увеличения количества клеток (массы тела) и качественных  -  в виде дифференцировки клеток

            Процесс роста человека протекает неравномерно. Наибольшая интенсивность роста наблюдается на первом году жизни (длина тела увеличивается на 25см) и в период полового созревания (7-8см в год).

            Продолжительность жизни организмов. Между систематическим положением растений, животных и продолжительностью жизни связи нет.  Древесные растения живут долго: дуб – до 2000 лет, ель – до 1000 лет, сосна – 600 лет. Среди животных таких долгожителей нет. Ученые подсчитали, что продолжительность жизни превышает период роста в 5-7 раз. Например, собака растет 2 года, живет 15 лет; лошадь растет 5 лет и живет 30-40 лет. Естественная продолжительность человеческой жизни может достигать 120-150 лет, - это возрастные пределы человеческой жизни. 

Основы генетики и селекции.

            Генетика – наука о закономерностях наследственности   и изменчивости.

1865г. - Г.Мендель, чех, г.Брно.

1900г. – Г.Де Фриз,К Корренс, Э Чермак.

            Основные термины

            Наследственность – свойство организмов предавать свои признаки и свойства  из поколения в поколение.

            Изменчивость – свойство организма приобретать новее признаки и свойства под воздействием различных факторов.

            Половые клетки - гаметы при (половом размножении, соматические клетки (при бесполом).

            Фенотоп – совокупность всех внешних и внутренних признаков организма.

            Генотип – совокупность генов организма.

Гибридологический метод исследования(22 сорта гороха, 8 лет)

            Моногибридное скрещивание  - скрещивание родительских особей, отличающихся по одному признаку

            Доминантный признак (А) – преобладающий;

            Рецессивный (а) – подавляемый.

Символы, принятые в традиционной генетике

♀	женский организм
♂	мужской организм
×	знак скрещивания
P	родительские организмы
F1, F2	дочерние организмы первого и второго поколения
А, В, С...	гены, кодирующие доминантные признаки
а, b, с...	аллельные им гены, кодирующие рецессивные признаки
АА, ВВ, СС…	генотипы особей, моногомозиготных по доминантному признаку
Аа, Вb, Сс…	генотипы моногетерозиготных особей
аа, bb, сс...	генотипы рецессивных особей
АаВb, AaBbCc	генотипы ди- и тригетерозигот
А B, CD a b  cd	генотипы дигетерозигот в хромосомной форме при независимом и сцепленном наследовании
А ,  а ,  АВ ,  cd	Гаметы

            Гомозиготными (АА) являются представители «чистых линий», организмы, все предки которых несли тот же признак; особи, оба родителя которых были гомозиготными по этому признаку, и в потомстве которых (F1) не наблюдается расщепление.

            Гетерозиготыми (Аа), являются организмы, у которых один из родителей или потомков несет рецессивный признак, или если в его потомстве наблюдается расщепление

Анализирующее скрещивание

            Не всегда по фенотипу можно определить генотип организма. Для определения генотипа проводят анализирующее скрещивание – скрещивание с особью, гомозиготной по рецессивному признаку.

                                    АА  х  аа = 100% (желтые)

                                    Аа   х  аа = 50% Аа (жёлтые); 50% аа (зелёные).

Неполное доминирование - промежуточное проявление признака (ночная красавица)

                                    АА – красные   х аа – белые

                                    F₁ Аа – розовые

                                    F₂ АА : Аа : аа = 1: 2: 1

Законы Г. Менделя

            1.Закон единообразия гибридов первого поколения F₁ – I закон Г. Менделя.

            При скрещивании двух гомозиготных организмов, отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все первое поколение гибридов окажется единообразным и будет нести признак одного родителя.

            2.Закон расщепления признаков гибридов F₂ – II закон Г. Менделя.

            При скрещивании двух геторозиготных потомков первого поколения между собой во втором поколении наблюдается расщепление в числовом отношении по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1

            Явление, при котором часть гибридов второго поколения несёт доминантный признак, а часть -  рецессивный называют расщеплением

            Закон чистоты гамет (объясняет явление расщепления): Наследственные факторы при образовании гибридов не смешиваются, а сохраняются в неизменном виде.

            Гипотеза чистоты гамет в решении задачи.

1. Желтый горох с 2-мя доминантными                                      зеленый горох с 2-мя рецессивными

генами желтой окраски                                                                          генами зеленой окраски

(он чист по признаку – цвет в генотипе

только желтый)

 

2. Гены в гаметах

 

3. Зиготы из таких гамет в F₁

4. Окраска: все желтые, т.к ген  доминантный – желтый; но в генотипе есть и зеленый , он подавляется; мы видим соблюдение правил единообразия гибридов F₁.

4. Окраска: все желтые, т.к ген  доминантный – желтый; но в генотипе есть и зеленый , он подавляется; мы видим соблюдение правил единообразия гибридов F₁.

Второе поколение F₂

1. Желтый горох F₁ –

2. Гены в разных гаметах: созревают два сорта разных гамет  и ; гаметы «чисты» (либо желтые, либо зеленые, т.е гаметы не гибридные).

3. В результате оплодотворения из этих гамет образуются 4 типа зигот.

4. Окраска этих семян (фенотип – внешнее проявление генотипа).

5. Генотип семян

            III закон Менделя

            При скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по двум парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.

Ø  Дигибридное скрещивание – это два моногибридных скрещивания, идущих независимо

Ø  Две пары признаков, которые объединены в F₁ (ABab) в F₂ разделяются и ведут себя независимо от других признаков..

            Дигибридное скрещивание
            (гены разных признаков лежат в разных хромосомах)

 

P:                     AABB                                              х          aabb

                        (желтые гладкие семена)                              (зеленые морщинистые семена)

                                    гомозигота                                                    гомозигота

Гаметы:                                  AB                                                      ab

F₁:                                                                                          все желтые гладкие

F₂ ? (определим результаты скрещивания во втором поколении)

P:                     ABab                                               х          ABab

 

Гаметы:

            Для построения решетки Пеннета  по вертикальной оси следует отметить гаметы одного родительского организма, а по горизонтальной – другого. В месте пересечения вертикалей и горизонталей записываются генотипы дочерних организмов.

	AB	Ab	Ba	ab	Фенотипов: 4 разных Генотипов: 16 Генотипов больше, чем фенотипов
AB	ABAB желтый гладкий	ABAb желтый гладкий	ABBa желтый гладкий	ABab желтый гладкий
Ab	AbAB желтый гладкий	AbAb желтый морщинистый	AbBa желтый гладкий	Abab желтый морщинистый
Ba	BaAB желтый гладкий	BaAb желтый гладкий	BaBa зеленый гладкий	Baab зеленый гладкий
ab	abAB желтый гладкий	abAb желтый морщинистый	abBa зеленый гладкий	abab зеленый морщинистый

Мендель собрал от растений в F₂  556 семян.

Гладких желтых                    9∙ 6,25%       312,75           315          

Морщинистых желтых 3∙ 6,25%       104,25           101                       9 : 3 : 3 : 1

Гладких зеленых                   3 ∙ 6,25%      104,25           108          

Морщинистых зеленых         1∙  6,25%      34,75              32

Если посчитать соотношение для каждой пары аллельных признаков – цвет, форма (предложить ученикам посчитать самим) то получается:

Гладких         423      :           Морщинистых         133                  3 : 1

Желтых         416      :           Зеленых                     140                  3 : 1

Законы Моргана

- исключение 3 закона Менделя. Не для всех генов характерно независимое распределение в потомстве и свободное комбинирование.

            Каждая хромосома несет не один ген, а целую группу генов, отвечающих за развитие разных признаков.

            Т. Морган скрещивал мушку дрозофилу с серым телом и нормальными крыльями с мущкой, имеющей тёмную окраску тела и зачаточные крылья. В 1 поколении получались гибриды с серым телом и нормальными крыльями (ген серой окраски тела и нормальными крыльями – доминирует). При проведении скрещивания самки полученной в F₁ с самцом с рецессивными признаками теоретически ожидалось получить потомство с комбинациями признаков – 1:1:1:1. Но в потомстве преобладали особи с признаками родительских форм (41,5% - серые длиннокрылые и 41,5% - черные с зачаточными крыльями), и лишь незначительная часть мушек имела перекомбинированные признаки (8,5% - черные длиннокрылые и 8,5 % - серые с зачаточными крыльями).

            Вывод: гены, обуславливающие развитие серой окраски тела и длинных крыльев, локализованы в одной хромосоме, а черной окраски и зачаточных крыльев – в другой. Данное явление Морган назвал – сцеплением. Гены локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно и образуют одну группу сцепления. (явление перекомбинирования объясняется процессом кроссинговера в первом мейотическом делении, но так как кроссинговер происходит не во всех гаметах, происходит нарушение числового соотношения – 1:1:1:1)

Генетика пола

            У человека 46 хромосом, из них 44 – аутосомы и 2 половые хромосомы. Хромосомный набор мужчины – 46ху, женщины – 46хх.

            Наследование признаков, гены которых локализованы в х, или у – хромосомах, называют наследованием, сцепленным с полом (Т.Х. Морган).  х – хромосома содержит ряд генов, определяющие развитие тяжёлых аномалией (гемофелия, дальтонизм). Эти аномалии встречаются у мужчин, но носителями являются женщины.

            У мужчин эти гены гемизиготны, их рецессивные аллели вызывают заболевания: Х^hY – мужчина больной гемофелией; Х^dY – дальтоник

            У человека, лишь некоторые гены, не являющиеся жизненно важными, находятся в у – хромосоме. Эти гены наследуются только от отца к сыну. Например – наследование окраски у кошек в Х хромосоме.

            Черная окраска определяется аллелем гена В в Х хромосоме – Х^в Х^в,

рыжая  - аллелем – b–  Х^b Х^b. Если встречаются аллели В и b - Х^в Х^b – то окраска шерсти у кошки будет черепаховой. Генотип черного кота - Х^вУ , рыжего - Х^bУ. Трёхцветный кот может быть только с синдромом Клайнфельтера, с трисомией по Х – хромосоме - Х^в Хb^у, в этом случае кот – бесплоден.

Генетика человека. Методы изучения наследственности человека. Наследственные заболевания, их профилактика.

            Установлено, что существуют болезни, обусловленные наследственными факторами. Эти заболевания можно предупреждать и лечить, для чего были разработаны методы изучения генотипа человека.

Основные методы в изучении наследственные заболевания людей:

Генеалогический – изучение родословной людей за возможно большее число поколений.

Этим методом установлено, что развитие некоторых способностей человека (музыкальности, склонности к математическому мышлению) определяется наследственными факторами, доказано наследование многих заболеваний (врожденная рецессивная глухота, шизофрения). Известны наследственные заболевания, определяемые не рецессивными, а доминантными генами, например, ведущая к слепоте наследственная дегенерация роговицы.

Близнецовый – состоит в изучении развития признаков у однояйцевых близнецов. Он дает возможность выяснить, какие качества определяет внешняя среда, а какие – наследственность.

Цитогенетический – заключается в изучении структуры и количества хромосом. Этот метод позволяет выявить хромосомные мутации.

Биохимический – обнаружение изменений в биологических параметрах (например, сахарный диабет).

Все большее значение приобретает генетика для медицины. Знание генетики человека в ряде случаев позволяет спрогнозировать рождение ребенка абсолютно здорового у родителей, имеющих наследственный недуг.

Определение и формы изменчивости

Генетика изучает два основных свойства живых существ - наследственность и изменчивость.    

Изменчивость - свойство организмов приобретать новые признаки и особенности индивидуального развития под влиянием факторов среды.

Изменчивость - один из важнейших факторов эволюции, обеспечивающих все многообразие живой природы.

Различают два вида изменчивости:

1. Фенотипическую (ненаследственную, модификационную);

2. Генотипическую (наследственную):

а) комбинативную;

б) мутационную.    

Модификационная изменчивость – форма изменчивости, не связанная с изменением генотипа и вызванная влиянием факторов среды.

Модификационная изменчивость имеет особенности:

- не затрагивает наследственную основу организма и поэтому модификации не передаются по наследству, то есть от родителей к потомству,

- изменения направлены, происходят закономерно, их можно предсказать,

- имеют адаптивное (приспособительное) значение,

- имеют массовый (групповой) и обратимый характер,

- определенный фактор внешней среды вызывает сходное изменение у всех особей данного вида.

Модификационная изменчивость имеет предел. Границы изменчивости признака, обусловленные генотипом называются нормой реакции. Она может быть узкой, когда признак изменяется незначительно (цвет глаз), и широкой, когда признак изменяется в широких пределах (рост, масса тела).

В медицине часто приходится устанавливать норму реакции для оценки max и min количественных показателей (уровень гормонов, ферментов, гемоглобина и др.)    

Комбинативная изменчивость – это наследственная изменчивость, обусловленная перекомбинацией имеющихся генов и хромосом, без изменения структуры генов и хромосом (наследственного материала). Этот тип изменчивости проявляется уже на стадии образования половых клеток.

Источниками комбинативной изменчивости являются процессы, происходящие в мейозе и в результате оплодотворения:

1. Рекомбинация генов при кроссинговере в профазе1 мейоза.

2. Рекомбинация хромосом в ходе мейоза (независимое расхождение хромосом и хроматид при мейозе)

3. Комбинация хромосом в результате слияния гамет при оплодотворении (случайное сочетание гамет при оплодотворении).

Комбинативная изменчивость обеспечивает генотипическое разнообразие людей, объясняет наличие признаков у детей и внуков от родственников по отцовской и материнской линии.    

Мутационная изменчивость – способность генетического (наследственного) материала изменяться и эти изменения наследуются в потомстве. В основе мутационной изменчивости лежат мутации.

Мутации – это внезапные изменения генетического материала под влиянием среды и передающиеся по наследству.

Частота мутаций зависит от вида организма, от возраста, от фазы онтогенеза, стадии гаметогенеза, может происходить в половых и соматических клетках, иметь рецессивный и доминантный характер. Например, у человека до 6% гамет несут мутантные гены.

Процесс образования мутаций называется мутагенезом.

Факторы, вызывающие мутации называются мутагенными.

Мутации первоначально действуют на генетический материал особи, а через генотип изменяется и фенотип. 

Мутагенные факторы

Факторы, вызывающие мутации называются  мутагенными факторами (мутагенами) и подразделяются на:

1. Физические;

2. Химические;

3. Биологические.    

К физическим мутагенным факторам относятся различные виды излучений, температура, влажность и др. Наиболее сильное мутагенное действие оказывает ионизирующее излучение – рентгеновские лучи, α-, β-, γ- лучи. Они обладают большой проникающей способностью.

При действии их на организм они вызывают:

а) ионизацию тканей – образование свободных радикалов (ОН) или (Н) из воды, находящейся в тканях. Эти ионы вступают в химическое взаимодействие с ДНК, расщепляют нуклеиновую кислоту и другие органические вещества;

б) ультрафиолетовое излучение характеризуется меньшей энергией, проникает только через поверхностные слои кожи и не вызывает ионизацию тканей, но приводит к образованию димеров (химические связи между двумя пиримидиновыми основаниями одной цепочки, чаще Т-Т). Присутствие димеров в ДНК приводит к ошибкам при ее репликации, нарушает считывание генетической информации;

в) разрыв нитей веретена деления;

г) нарушение структуры генов и хромосом, т.е. образование генных и хромосомных мутаций.    

К химическим мутагенам относятся:

- природные органические и неорганические вещества (нитриты, нитраты, алкалоиды, гормоны, ферменты и др.);

- синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе (пестициды, инсектициды, пищевые консерванты, лекарственные вещества).

- продукты промышленной переработки природных соединений – угля, нефти.

Механизмы их действия:

а) дезаминирование – отщепление аминогруппы от молекулы аминокислот;

б) подавление синтеза нуклеиновых кислот;

в) замена азотистых оснований их аналогами.

Химические мутагены вызывают преимущественно генные мутации и действуют в период репликации ДНК.    

К биологическим мутагенам относятся:

-  Вирусы (гриппа, краснухи, кори)

- Невирусные паразитические организмы (грибы, бактерии, простейшие, гельминты)

Механизмы их действия:

а) вирусы встраивают свою ДНК в ДНК клеток хозяина.

б) продукты жизнедеятельности паразитов-возбудителей болезней действуют как химические мутагены.

Биологические мутагены вызывают генные и хромосомные мутации. 

Классификация мутаций

Различают следующие основные типы мутаций:

1. По способу возникновения их подразделяют на спонтанные и индуцированные.             Спонтанные – происходят под действием естественных мутагенных факторов внешней среды без вмешательства человека. Они возникают в условиях естественного радиоактивного фона Земли в виде космического излучения, радиоактивных  элементов на поверхности земли.

      Индуцированные мутации вызываются искусственно воздействием определенных мутагенных факторов.

2. По мутировавшим клеткам мутации подразделяются на генеративные и соматические.

      Генеративные – происходят в половых клетках, передаются по наследству при половом размножении.

      Соматические – происходят в соматических клетках и передаются только тем клеткам, которые возникают из этой соматической клетки. Они не передаются по наследству.

3. По влиянию на организм:

Отрицательные мутации – летальные (несовместимые с жизнью); полулетальные (снижающие жизнеспособность организма); нейтральные (не влияющие на процессы жизнедеятельности); положительные (повышающие жизнеспособность).

Положительные мутации возникают редко, но имеют большое значение для прогрессивной эволюции.

4. По изменениям генетического материала мутации подразделяются на геномные, хромосомные и генные.

      Геномные мутации – это мутации, вызванные изменением числа хромосом. Могут  появляться лишние гомологичные хромосомы. В хромосомном наборе на месте двух гомологичных хромосом оказываются три – это трисомия. В случае моносомии наблюдается утрата одной хромосомы из пары. При полиплоидии происходит кратное гаплоидному увеличение числа хромосом. Еще один вариант геномной мутации – гаплоидия, при которой остается только одна хромосома из каждой пары.

      Хромосомные мутации связаны с нарушением структуры хромосом. К таким мутациям относятся утраты участков хромосом (делеции), добавление участков (дупликация) и поворот участка хромосом на 180° (инверсия).

      Генные мутации, при которых изменения происходят на уровне отдельных генов, т.е. участков молекулы ДНК. Это может быть утрата нуклеотидов, замена одного основания на другое, перестановка нуклеотидов или добавление новых.

Разнообразие сортов растений и пород животных – результат селекционной работы ученых. Закон Н. И. Вавилова о гомологических рядах в наследственной изменчивости.

Селекция – отрасль сельского хозяйства, занимающаяся выведением новых сортов и гибридов, сельскохозяйственных культур и пород животных.

Генетика – основа селекции. Основными методами селекции растений служат гибридизация и отбор. Приручение животных, скрещивание, гетерозис, испытание производителей – все эти методы используются в племенной селекционной работе с животными.

Академик Н. И. Вавилов в течение многих лет исследовал закономерности наследственной изменчивости у дикорастущих и культурных растений различных систематических групп.

Эти исследования позволили сформулировать закон гомологических рядов или закон Вавилова. Закон: генетически близкие роды и виды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости. Зная, какие мутационные изменения возникают у особей какого-либо вида, можно предвидеть, что такие же мутации в сходных условиях будут возникать у родственных видов и родов.

Знание этого позволяет селекционерам заранее предвидеть, какие признаки изменяются у того или иного вида в результате воздействия на него мутагенных факторов.

Наследственные болезни человека, их лечение и профилактика.

К настоящему времени известно более 2 тыс. наследственных болезней человека, причем большинство из них связано с психическими расстройствами. Болезней, не имеющих абсолютно никакого отношения к наследственности, практически не существует. Течение разных заболеваний (вирусных, бактериальных и даже травм) и выздоровление после них в той или иной мере зависят от наследственных иммунологических, физиологических, поведенческих и психических особенностей индивидуума.

Условно наследственные болезни можно подразделить на три большие группы: болезни обмена веществ (заболевание углеводного обмена - сахарный диабет), молекулярные болезни, которые обычно вызываются генными мутациями, и хромосомные болезни (изменение числа или структуры хромосом, например, болезнь Дауна). Ряд патологических признаков (гипертония, атеросклероз, подагра и др.) определяются не одним, а несколькими генами (явление полимерии). Это болезни с наследственным предрасположением, которые в большей степени зависят от условий среды: в благоприятных условиях такие заболевания могут и не проявиться.

Основным путем предотвращения наследственных заболеваний является их профилактика. Для этого во многих странах мира существует сеть учреждений, обеспечивающих медико-генетическое консультирование населения. В первую очередь его услугами должны пользоваться лица, вступающие в брак, у которых имеются генетически неблагополучные родственники. Врачи и генетики смогут определить степень риска рождения генетически неполноценного потомства и обеспечить контроль за ребенком в период его внутриутробного развития. Следует отметить, что курение, употребление алкоголя и наркотиков матерью или отцом будущего ребенка резко повышают вероятность рождения младенца с тяжелыми наследственными недугами.

Классификация наследственных болезней

    Следует различать врожденные и наследственные заболевания. Наследственные болезни называются так потому, что они вызываются повреждением наследственного аппарата, а не потому что они наследуются из поколения в поколение. Врожденные болезни – это все болезни, которые имеются у ребенка в момент рождения. Причиной их могут быть вирусные и бактериальные инфекции, отравление плода алкоголем, курением и др. Под действием этих факторов могут развиваться точно такие же пороки, как и при действии мутантных генов. Такие копии наследственных заболеваний называют фенокопиями. Мутации, происходящие в разных генах, могут привести к образованию одинаковых фенотипических признаков, называемых генокопиями.    

      По уровню вовлечения наследственного материала наследственные болезни делят на генные и хромосомные.

1. Генные или молекулярные болезни в свою очередь подразделяют на:    

1)моногенные болезни, возникающие при мутациях, затронувших один ген, хотя мутация может захватывать более обширные участки ДНК. Моногенные болезни классифицируют по типу передачи потомкам признака, и они наследуются по законам Менделя:

а) аутосомно-доминантные;

б) аутосомно-рецессивные;

в) доминантные, сцепленные с Х-хромосомой;

г) рецессивные, сцепленные с Х-хромосомой;

д) сцепленные с У-хромосомой.    

2).полигенные или мульфакториальные, возникающие при взаимодействии нескольких генов и неблагоприятных условий среды. Эти болезни еще называют болезнями с наследственной предрасположенностью (атеросклероз, аллергические заболевания, псориаз, сахарный диабет, шизофрения и др.)

2. Хромосомные болезни могут быть обусловлены изменением числа хромосом (анэуплоидией) и структуры хромосом (хромосомными аберрациями). 

Генные болезни

      1) При аутосомно-доминантном типе наследования характерно нарушение синтеза структурных белков или белков, выполняющих специфические функции (например, гемоглобина). Фенотипически при этом типе наследования патологическое состояние обнаруживается практически всегда. В родословной аномальный признак встречается в каждом поколении и одинаково часто болеют как лица мужского, так и женского пола.  Примерами являются следующие заболевания: нейрофибрилломатозы – опухоли нервных стволов, талассемия – нарушение синтеза гемоглобина, эллиптоцитоз – гемолитическая анемия, ахондропластическая карликовость – нарушение роста, короткие конечности при нормальных размерах туловища и головы. Синдром Марфана характеризуется накоплением в организме больного свободных или связанных с белком кислых мукоплисахаридов и повышенном их содержанием в моче. При этом заболевании нарушается обмен аминокислоты гидроксипролина, являющейся существенным компонентом коллагена. Клинически наблюдается триада признаков: изменения со стороны сердечно-сосудистой системы, подвывих хрусталика, нарушение со стороны опорнодвигательного аппарата. Брахидактилия – укорочение пальцев. Серповидно-клеточная анемия  - в эритроцитах содержится аномальный гемоглобин, эритроциты имеют другую форму.    

      2) Аутосомно-рецессивный тип наследования.     Мутантный ген при этом типе наследования проявляется только в гомозиготном состоянии, гетерозиготы по этому гену фенотипически не отличаются от здоровых людей. Наблюдается возникновение заболеваний, связанных с нарушением действия ферментов и называются такие заболевания энзимопатии. Примеры заболеваний: алькаптонурия – темная моча из-за наличия продуктов метаболизма фенилаланина и тирозинагомогентизиновой кислоты, развиваются артриты. Фенилкетонурия – резкое повышение в крови и выведение с мочой аминокислоты фенилаланина и продуктов ее обмена – фенилпировиноградной и фенилмолочной кислот. Они оказывают токсическое влияние на  клетки головного мозга и развивается умственная отсталость. У гетерозигот вдвое больше в крови фенилаланина.

      Галактозэмия – нарушение углеводного обмена из-за дисфункции  печени. Не активен фермент, превращающий галактозу в глюкозу. В тканях и крови накапливается галактоза. Без лечения развивается цирроз печени, слабоумие, ранняя смерть. Лечение – исключение продуктов, содержащих лактозу (молочный сахар), галактоза образуется в кишечнике при расщеплении лактозы. 

      Альбинизм – блокируется фермент тирозиназа, который катализирует превращение тирозина в меланин. Наблюдается отсутствие меланина в клетках кожи, волос, радужной оболочки глаз, повышенная чувствительность к УФ-облучению.     

      3)Доминантное наследование, сцепленное с Х-хромосомой. Данный тип наследования присущ немногим формам патологий. Проявление заболевания не зависит от пола, однако более тяжело протекает у мальчиков. Отец передает измененный ген только дочерям. Примеры заболеваний: рахит, неподдающийся лечению витамином Д, гипоплазия эмали (коричневая эмаль зубов). Синдром Альпорта – гломерулонефрит с глухотой и понижением остроты зрения.    

      4)Х-сцепленный рецессивный тип наследования.    

Для этого типа наследования характерным условием является то, что действие мутантного гена проявляется у мальчиков всегда, а у девочек только в гомозиготном состоянии. Вероятность рождения больного мальчика у матери носительницы мутантного гена, составляет 50%. Больной отец передает свой ген только дочерям. Примеры заболеваний: гемофилия – нарушение свѐртываемости крови, миопатия – прогрессирующая мышечная дистрофия (атрофия скелетных мышц, часто – отставание в умственном развитии), ихтиоз – верхние пласты эпидермиса имеют вид роговых чешуй с кровоточащими трещинами, дальтонизм – цветовая слепота. 

Хромосомные болезни, обусловленные аномалиями аутосом

    Хромосомные болезни – это группа наследственных патологических состояний, причиной которых является изменение количества хромосом или нарушение их структуры. Наиболее часто отмечаются трисомии, реже моносомии.    

      Хромосомные болезни клинически выражаются множественными врожденными пороками развития. Большинство хромосомных мутаций являются возникающими заново вследствие мутации в гамете здорового родителя, а не наследуемыми в поколениях, что связано с высокой смертностью больных в дорепродуктивном периоде.    

Аномалии аутосом.

Трисомия 8. У больных отмечается неглубокая умственная отсталость  и физическое недоразвитие. Типичным проявлением служат удлиненность туловища, преобладание скелетных аномалий, нарушение речи, вывернутая нижняя губа – в 20% случаев. Такие больные относительно жизнеспособны и в половом возрасте могут иметь потомство.    

      Трисомия  13 - синдром Патау – впервые был описан этим ученым в 1960 году. Наблюдается высокая ранняя смертность (в течение первого года жизни умирает 90% детей). Характерны тяжелые аномалии строения: расщепление твердого и мягкого неба, незаращение губы, недоразвитие или отсутствие глаз (микрофтальмия или анофтальмия), деформированы и низко расположены ушные раковины, деформация кистей и стоп – полидактилия и синдактилия (сращение пальцев), отсутствие переднего мозга, дефекты внутренних органов.    

      Трисомия 18. Впервые  этот синдром был описан Дж. Эдвардсом в 1960 году. Чаще синдром встречается у девочек. Череп необычной формы: узкий лоб и широкий выступающий затылок, очень низко расположенные деформированные уши, недоразвитие нижней челюсти, деформация кистей, пальцев. Дефекты сердца, почек, легких, головного мозга. Могут дожить до года.    

      Трисомия  по 21, синдром Дауна. Наиболее распространенная из всех аномалий. Характерные признаки: монголоидный разрез глаз, косоглазие, нависающая складка над верхним веком, короткий широкий нос, плоское лицо, большой, часто не умещающийся во рту язык, полуоткрытый рот. Больные маленького роста, кожа шелушитсся, на щеках румянец. Нередко имеются нарушения строения внутренних органов (сердца, крупных сосудов). Психически – это дибилы и идиоты. Но в отличие от других видов олигофрении у больных болезнью Дауна сохраняется эмоциональная сфера при глубоком интеллектуальном дефекте. Они иногда могут научиться читать и писать, но считать не могут. У них недоразвит головной мозг, половые железы и вторичные половые признаки. Потомства обычно не оставляют, но описано несколько случаев рождения детей у таких лиц.

      После 35-39 лет матери вероятность рождения больного ребенка возрастает в 10 и более раз. За последние годы частота родов с болезнью Дауна увеличилась. 

Хромосомные болезни, обусловленные аномалиями половых хромосом

    Половые хромосомы являются главными носителями генов, контролирующих развитие пола, поэтому их численные или структурные нарушения определяют разнообразные отклонения в половом развитии.    

      Полисомии по половым хромосомам разнообразны: они различаются числом дополнительных хромосом, их типом и комбинацией разных хромосом в случае мозаицизма. Подавляющая часть их приходится на трисомии ХХХ, ХХУ и ХУУ. Причина – нерасхождение половых хромосом в мейозе.    

      ХХХ (47) – трисомия Х. Рождаются девочки, часто по внешнему виду они не отличаются от здоровых. Большинство больных нормальны в физическом и умственном отношении, не отмечаются отклонения в половом развитии, способны к деторождению. Однако у части женщин с Х-трисомией может наблюдаться нарушение менструального цикла, ранняя менпауза, иногда – отсутствие менструального цикла, нерезкие отклонения в физическом развитии, интеллектуальное развитие несколько снижается. Эти женщины чаще страдают шизофренией. В соматических клетках – 2 тельца полового хроматина. Может быть и полисомия по Х-хромосоме - ХХХХ (в этом  случае патология  более выражена).    

      Синдром Клайнфельтера – ХХУ (47). Сюда же относятся варианты с большим числом хромосом (ХХХУ, ХХХХУ).

      Присутствие У-хромосомы определяет мужской пол больных. До периода полового созревания мальчики с аномальным набором хромосом мало отличаются от лиц с нормальным кариотипом. Клинические проявления появляются в период полового созревания. Наблюдается недоразвитие половых признаков: а именно, семенников, отсутствие или нарушение сперматогенеза. Отмечается развитие телосложения и оволосенения по женскому типу, умственная отсталость может быть, а может и не быть. При ХХУ – в соматических клетках одно тельце Бара.

      Могут быть и другие варианты полисомии у мужчин: ХУУ (47); ХХУУ (48); ХХУУУ (49). Мужчины высокого роста, нормального физического и умственного развития. У таких индивидуумов наблюдаются психопатические черты: неустойчивость эмоций, неадекватное поведение, агрессивность.    

      Моносомия ХО – синдром Шерешевского-Тернера. Кариотип 45. Рождаются девочки. Это единственная совместимая с жизнью моносомия. Наблюдается недоразвитие яичников, наружных половых органов, месячные редкие и скудные, бесплодны. Рост 135-145 см, шея короткая с широкой кожной складкой. Могут наблюдаться различные пороки внутренних органов (сердца, почек и др.). Интеллект не страдает. Половой хроматин в клетках отсутствует. Данный синдром может быть вызван не только моносомией по Х-хромосоме, но и морфологическими ее изменениями (делеция плеча, кольцевые хромосомы), а также может наблюдаться мозаицизм ХХ/ХО. Одна половина клеток содержит -  ХХ, другая - ХО.                          

Хромосомные аберрации

      При делении короткого плеча пятой хромосомы развивается синдром «кошачьего крика». Называется так потому, что у таких детей наблюдается нарушение строения гортани, поэтому у них тембр голоса похож на мяуканье кошки.

      Делеция короткого плеча 11 хромосомы приводит к развитию нарушений со стороны органа зрения (катаракта, глаукома, помутнение роговицы), а также появление в детском возрасте у большинства больных нефробластомы.

      Почти по каждой хромосоме известны нарушения строения, приводящие к различным порокам развития. Кроме того, в настоящее время имеются сведения о том, что в ряде случаев изменение гетерохроматиновых районов хромосом (их увеличение или уменьшение) приводит к неблагоприятному фенотипическому эффекту – отражаются на плодовитости или на потомстве.    

      Транслокация  участка 21 хромосомы на 13-15 у матери или 21 на 22  у отца приводит к возникновению синдрома Дауна.

Искусственный отбор и селекция.

Искусственный отбор – метод селекции, осуществляемый человеком с целью создания пород животных и сортов растений. Селекция – наука, разрабатывающая теорию и методы выведения и улучшения пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов. Методы селекции, их суть:

Массовый отбор – выделение группы особей, обладаемых желаемыми признаками (применяется многократно в ряду поколений).

Индивидуальный отбор – выделение отдельных особей с желаемыми признаками. Наиболее применим для животных и самоопыляющихся растений.

Межлинейная гибридизация – скрещивание двух чистых линий для получения гетерозиса (гетерозис – явление очень высокой плодовитости и жизнестойкости в первом гибридном поколении).

Отдаленная гибридизация – скрещивание неблизкородственных форм и даже разных видов. Применяют для получения необычных комбинаций генов для последующего отбора.

Полиплоидия – увеличение числа хромосомных наборов. Используют в селекции растений для повышения урожайности и преодоления бесплодия при межвидовом скрещивании.

Клеточная инженерия – выращивание клеток вне организма (в культуре ткани). Позволяет проводить гибридизацию соматических (неполовых) клеток.

Генетическая инженерия (искусственная перестройка генома). Позволяет встраивать в геном организма одного вида гены другого вида.

Происхождение и развитие жизни на Земле. Эволюционное учение.

Развитие эволюционных представлений.

Доказательства эволюции.

Эволюция – это процесс исторического развития органического мира. В ходе эволюции осуществляется преобразование одних видов в другие.

Главная в эволюционной теории – идея исторического развития от сравнительно простых форм жизни к более высокоорганизованным. Основы научной материалистической теории эволюции заложил Дарвин. Современная наука обладает очень многими фактами, доказывающими существование эволюционного процесса. Это данные биохимии, генетики, эмбриологии, анатомии, систематики, биографии, палеонтологии и многих других дисциплин. Доказательства существование эволюционного процесса:

Эмбриологические – сходство начальных стадий эмбрионального развития животных.

Морфологические – многие формы сочетают в себе признаки нескольких крупных систематических единиц. При изучении различных групп организмов становится очевидным, что по целому ряду особенностей они в основе сходны.

Палеонтологические – ископаемые останки многих животных можно сравнивать между собой и обнаружить сходство.

Биогеографические – распространение животных и растений по поверхности нашей планеты. Сравнение животного и растительного мира разных континентов, показывающие, что различия между их флорой и фауной тем больше, чем древнее и сильнее их изоляции друг от друга.

Теория  эволюции  Ж.Б.Ламарка

      Ж.Б.Ламарк в «Философии зоологии» (1809), в которой впервые были изложены основы целостной эволюционной концепции, сформулировал два закона: 1) о влиянии употребления и неупотребления органа на его развитие и 2) о наследовании приобретаемых свойств.    

      Первый закон гласит: «У всякого животного, не достигшего предела своего развития, более частое и более длительное употребление какого-нибудь органа укрепляет малопомалу этот орган, развивает и увеличивает его и придаѐт ему силу, соразмерную длительности употребления. Между тем как настоящее неупотребление того или иного органа постепенно ослабляет его, приводит к упадку, непрерывно уменьшает его способности и, наконец, вызывает его исчезновение».    

      Второй закон гласит: «Все, что природа заставила особей приобрести или утратить под влиянием условий, в которых с давних пор пребывает их порода и, следовательно, под влиянием преобразования употребления или неупотребления той или иной части (тела), - все это природа сохраняет путем размножения у новых особей, которые происходят от первых, при условии, если приобретенные изменения общи обоим полам или тем особям, от которых новые особи произошли».    

      Всякий непредубежденный человек должен согласиться, что по своему содержанию интересующий нас второй закон Ламарка является весьма емким. Во-первых, речь идет об изменениях организмов под влиянием природных условий, во-вторых, имеются в виду длительные воздействия условий на организм, в-третьих, в понятие наследования приобретаемых свойств входят как усилившиеся качества, так и исчезнувшие, вчетвертых, наследование трактуется как сохранение в ряду поколений приобретаемых под влиянием среды результатов употребления и неупотребления частей тела, повидимому, как при половом, так и бесполом размножении, а в-пятых, условием наследования признается наличие приобретенных свойств у особей обоих полов.    

      В литературе второй закон Ламарка нередко излагается весьма примитивно как прямое наследование результатов упражнения и не упражнения органов или механических повреждений. В результате проблема наследования приобретаемых свойств была с самого начала скомпрометирована идеалистически (выступающими «против) и метафизически (выступающими «за») биологами, как противниками, так и некоторыми сторонниками Ламарка.    

      Ламарк считал, что классификация должна отображать прогрессивное развитие природы. По его мнению, эволюция идет на основании внутреннего стремления организмов к прогрессу. Причиной многообразия живого Ламарк считал воздействие различных факторов среды, причем реакции организма на воздействия среды носят целесообразный характер (адекватны изменениям среды) и передаются по наследству. Например, при скудном растительном покрове почвы жираф вынужден ощипывать листья с деревьев, постоянно вытягивая шею, чтобы достать их. Действие из поколения в поколение подобной привычки привело к тому, что передние ноги жирафа оказались длиннее задних, а шея значительно вытянулась. У животных, ведущих подземный образ жизни, орган зрения не использовался и в связи с этим неупражнением атрофировался (крот).    

      Таким образом, Ж.Б.Ламарк считал, что новые признаки всегда полезны и наследуются. Это представление об изначальной целесообразности любой реакции на изменение условия, так же как и мнение о прямом воздействии окружающей среды на эволюционные процессы и внутреннем стремлении организмов к прогрессу, оказались ошибочными.

Эволюционное учение Ч. Дарвина. Его основные положения и значение.

Построение наиболее фундаментальной эволюционной концепции связано с именем английского ученого Чарльза Дарвина. Основные положения эволюционного учения Дарвина сводятся к следующему:

Многообразие видов животных и растений – это результат исторического развития органического мира.

Главные движущие силы эволюции – борьба за существование и естественный отбор. Материал для естественного отбора дает наследственная изменчивость. Стабильность вида обеспечивается наследственностью.

Эволюция органического мира преимущественно шла по пути усложнения организации живых существ.

Приспособленность организмов к условиям окружающей среды является результатом действия естественного отбора.

Могут наследоваться как благоприятные, так и неблагоприятные изменения.

Многообразие современных пород домашних животных и сортов с/х растений является результатом действия искусственного отбора.

Эволюция человека связана с историческим развитием древних человекообразных обезьян.

Эволюционное учение Ч. Дарвина можно рассматривать как переворот в области естествознания. Значение эволюционной теории заключается в следующем:

Выявлены закономерности превращения одной органической формы в другую.

Объяснены причины целесообразности органических форм.

Открыт закон естественного отбора.

Выяснена сущность искусственного отбора.

Определены движущие силы эволюции.

Вид, критерии вида. Популяции.

Вид – совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических и биологических особенностей, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособившихся к определенным условиям жизни и занимающих в природе определенный ареал.

Критерии для определения принадлежности к данному виду:

Морфологический – главный критерий, основан на внешних различиях между видами животных или растений.

Географический – вид обитает в пределах определенного пространства (ареала). Ареал – это географические границы распространения вида, размеры, форма и расположение в биосфере которого отлично от ареалов других видов.

Экологический – характеризуется определенным типом питания, местом обитания, сроками размножения, т.е. занимает определенную экологическую нишу.

Этологический – заключается в том, что поведение животных одних видов отличается от поведения других.

Генетический – генетическая изоляция от других видов. Животные и растения разных видов почти никогда не скрещиваются между собой.

Физиолого-биохимический – не может служить надежным способом разграничения видов, так как основные биохимические процессы протекают у сходных групп организмов одинаково.

Популяция – совокупность особей одного вида, занимающих определенную территорию и обменивающихся генетическим материалом. Популяция не является полностью изолированной группой. Факторы среды, взаимодействие с другими популяциями может изменять численность популяции.

Видообразование.

Видообразование – это сложнейший эволюционный процесс возникновения нового вида.

Бывает двух типов:

1. Географическое (происходит очень медленно, сотни тысяч поколений) обострение борьбы за существование между особями вида расселение на новые территории (расширение ареала) географическая изоляция между популяциями

2. Экологическое (происходит быстро) обострение борьбы за существование между особями вида освоение новых условий обитания в пределах старого ареала экологическая изоляция между популяциями

3. Филетическое – весь вид в целом изменяется в ряду поколений, превращаясь в новый вид.

Борьба за существование и естественный отбор.

Борьба за существование – сложные и многообразные взаимоотношения особей внутри вида, между видами и с неблагоприятными условиями неживой природы.

Бывает трех видов:

Внутривидовая – приводит к сохранению популяции и вида за счет гибели или неучастия в размножении наименее приспособленных особей данного вида.

Межвидовая – приводит к победе более жизнеспособных особей или популяции одного вида над менее жизнеспособной особью или популяцией другого вида.

Борьба с неблагоприятными условиями неживой природы – приводит к выживанию в изменившихся условиях неживой природы наиболее приспособленных особей, популяций и видов.

Естественный отбор заключается в том, что в борьбе за существование сохраняются и оставляют потомство особи наиболее приспособленные и погибают менее приспособленные.

Формы отбора:

Движущий – обеспечивает приспособленность популяции и вида к однонаправленному изменению среды обитания.

Стабилизирующий – обеспечивает сохранение приспособленности популяции к относительно стабильным условиям существования.

Дизруптивный – обеспечивает адаптацию различных группировок особей в популяции к разным комплексам условий среды.

В результате естественного отбора отбирается не какой-либо признак, а весь генотип в целом.

Приспособленность организмов – результат действия факторов эволюции. Относительный характер приспособленности.

Адаптация – приспособленность к среде обитания. Формы приспособленности у животных:

Покровительственная окраска и форма тела (маскировка).

Предостерегающая окраска.

Отпугивающее поведение.

Мимикрия (внешнее сходство незащищенных животных с защищенными).

Формы приспособленности у растений:

Приспособления к повышенной сухости. Например: опушенность листа, накопление влаги в стебле (кактус, баобаб), превращение листьев в иголки

Приспособления к повышенной влажности.

Приспособленность к опылению насекомыми ( яркая, привлекающая окраска цветка, наличие нектара, запах).

Приспособления к опылению ветром.

Приспособленность организмов – относительная целесообразность строения и функций организма, являющаяся результатом естественного отбора, устраняющего неприспособленных в данных условиях существования особей. Соответствие физиологических функций организма условиям его обитания, их сложность и разнообразие также входит в понятие приспособленности.

Для выживания организмов в борьбе за существование большое значение имеет приспособительное поведение.

Образование новых видов. Макроэволюция.

        Макроэволюция – процесс образования новых семейств, отрядов, классов и типов, а также других надвидовых систематических единиц (таксономических групп живых существ). Доказательства макроэволюции:

Эмбриологические – зародыши организмов многих систематических групп сходны между собой, причем, чем ближе организмы, тем до более поздней стадии развития сохраняется сходство зародышей.

Палеонтологические – найдены ископаемые переходные формы между многими систематическими группами. Для некоторых видов построены филогенетические ряды – последовательности предков.

Направление макроэволюции:

Ароморфоз – приспособительное изменение общего значения, повышающее уровень организации и жизнеспособность особей, популяций видов. Усложнение организации приводит к возникновению новых крупных систематических групп.

Идиоадаптация – частные приспособительные изменения, полезные в данной среде обитания и возникающие без изменения общего уровня организации. Обычно мелкие систематические группы – виды, роды, семейства – в процессе эволюции возникают путем идиоадаптации (различные формы тела рыб, оперение у птиц)

Дегенерация – приспособительные изменения организмов, приобретаемые путем понижения уровня общей организации – упрощения строения и функций. Общая дегенерация не исключает процветания вида.

Возникновение жизни на Земле.

I этап (А. И. Опарин) – образование органических веществ из неорганических, в водах первичного океана (>3,5 млрд. лет назад).

II этап – образование из простых органических соединений в водах первичного океана белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот.

III этап – образовались первые живые существа – пробионты, способные к самовоспроизведению. Период органической эволюции, в основе которой – изменчивость, наследственность, естественный отбор.

Появились автотрофные растительные организмы, свободный кислород, органич. вещества, грибы и животные.

Эры:

Кайнозойская: Антропоген (человек), Неоген (млекопитающ. и птицы), Палеоген (насекомые, покрытосеменные).

Мезозойская: Меловой (высш. млекопитающие, птицы), Юрский (пресмыкающиеся, археоптерикс), Триасовый (первые млекопит., костистые рыбы).

Палеозойская: Пермский (пресмыкающиеся, голосеменные), Каменноугольный (земноводные, насекомые, папоротники), Девонский (щитковые, высш. споровые), Силурийский (трилобиты, псилофиты), Ордовикский, Кембрийский (морские беспозвоночные), Протерозойская (первичные хордовые).

Архейская: следы жизни незначительны.

Происхождение человека

Концепция животного происхождения человека

      В основе современных представлений о происхождении человека лежит концепция в соответствии с которой человек вышел из мира животных, причем первые научные доказательства в пользу этой концепции были представлены Ч. Дарвиным в его труде «Происхождение человека и половой отбор» (1871). В последующем по мере развития анатомии и эмбриологии эти доказательства пополнялись новыми данными, которые указывали на анатомическое сходство,  сходство эмбрионального развития человека и животных, биохимическое и генетическое сходства.

      В настоящее время в пользу концепция животного происхождения человека служит ряд доводов, наиболее важными из которых являются следующие: 

1. Для человека характерны все черты, присущие типу Хордовые, в частности;

а) билатеральная (двусторонняя) симметрия в строении тела,

б) наличие в зародышевом развитии хорды и жаберных щелей в полости глотки, вентральное расположение сердца.

в) формирование нервной системы в форме дорсальной трубки.

2. Для человека характерны все черты, присущие подтипу Позвоночные (Черепные), а именно:

а)  наличие внутреннего осевого скелета, основой которого является развитый позвоночный столб, с передним концом которого сочленена черепная коробки, а также наличие двух пар конечностей,

б) центральная нервная система имеет вид трубки, переходящей в головной мозг, который состоит из 5 отделов,

в) сердце развивается на брюшной стороне тела.

3. Для человека характерны все черты класса млекопитающих, а именно:

а) живорождение и вскармливание молоком, наличие молочных желез, волосяного покрова,

б) теплокровность и обилие потовых желез для обеспечения терморегуляции,

в) разделение полости тела диафрагмой на брюшной и грудной отделы,

г) наличие 4-камерного сердца, левой дуги аорты, отсутствие в зрелых эритроцитах ядер,

д) дыхательная система представлена легкими, трахеей, бронхами, альвеолами,

е) наличие всех костей, характерных для млекопитающих. У человека нет ни одной лишней кости, которая бы отсутствовала у млекопитающих. В скелете имеется 7 шейных позвонков, 2 мыщелка затылочной кости и 3 слуховых косточки, характерные для млекопитающих,

ж) наличие молочных и постоянных зубов трех групп,

з) проявление атавистических признаков, наличие рудиментарных органов (мышцы, приводящие в движение ушную раковину, отросток слепой кишки, третье веко глаза и другие).

4. Для человека характерны все черты подкласса Плацентарные, а именно:

а) наличие плаценты,

б) вынашивание плода внутри тела матери и питание его через плаценту          

5. Для человека характерны все черты отряда Приматы, а именно:

а) наличие одной пары грудных молочных желез,

б) концы пальцев (концевые фаланги) имеют ногти, а ладони покрыты узорами,

в) противопоставление большого пальца передней конечности остальным, что обеспечивает брахиацию (использование конечностей для хватательных движений),

г) наличие менструального периода и беременности длительностью в 9 месяцев,

д) антигены системы АВО человека и человекообразных обезьян сходны. Группы крови А (II) и В (III) обнаружены у всех человекообразных обезьян, группа О (I) лишь у шимпанзе. По существу, кровь шимпанзе и гориллы можно переливать человеку,

е)наличие сходства в количестве и строении хромосом. Для человека характерны 23 пары хромосом, для человекообразных обезьян 24 пары, из которых 13 пар по своему строению одинаковы в обоих случаях,

ж) наличие значительной гомологии ДНК человека с ДНК обезьян. Например, гомология ДНК человека и шимпанзе составляет 91-92%, человека и гиббона 76%, а человека и макаки - резус — всего лишь 66%.

з) одинаковая чувствительность человека и человекообразных обезьян к возбудителям одних и тех же болезней и сходство клинического проявления последних,  

и) сходство между  генами, контролирующими синтез белков у приматов.

      Место человека в системе животного мира определяется тем, что он относится к типу Хордовые, подтипу Позвоночные, классу Млекопитающие, подклассу Плацентарные, отряду Приматы, семейству Гоминиды, роду Homo. 

Отличия человека от животных

    Человек имеет существенные отличия от животных, на что также обращали внимание еще древние, например Анаксагор (500-428 гг. до н. э.) и Сократ (469-399 гг. до н. э.) считали, что специфическим признаком человека является наличие руки, которая выделила человека из всего  мира. Называя человека «животным общественным», Аристотель ссылался на такие отличия, как двуногое хождение, больший но величине мозг, способность к речи и мышлению. Позднее К. Линней в качестве специфических отличий человека от обезьян называл речевую способность, и также способность накапливать и передавать в поколениях опыт, письменность, печать. По этой причине он и называл человека разумным. А. Н Радищев обращал внимание на такие отличительные свойства человека, как способность к прямохождению, наличие рук, речи, разума.

Современные представления относительно отличий человека от животных основываются, прежде всего, на данных о различиях в развитии мозга и на способности человека к абстрактному мышлению. Средняя масса мозга человека составляет 13501500 г, тогда как гориллы и шимпанзе     всего лишь 460 г. Масса мозга человека составляет в среднем около 1/40 общей массы тела, тогда как у обезьян—1/60 —1/200. Поверхность мозга человека составляет около 1200 см2, шимпанзе — 400 см 2.

Среди других отличительных признаков человека следует назвать особенности челюстей, а также строение и расположение зубов, которые являются иными по сравнению с зубами животных. Важнейшим отличием является дифференцировка верхних и нижних конечностей, характерные изгибы позвоночника, широкий таз. Только человек способен к балансированию на двух конечностях. У человека довольно мощными являются  кости, причем самой мощной является бедренная кость, выдерживающая нагрузку до 1650 кг. Исключительное развитие получила дифференциация кисти, обеспечивающая хватательные движения, значительныe размеры приобрел первый палец. Изза расположения глаз в передней части головы человек обладает бинокулярным зрением, которое позволяет ему различать (видеть) предметы в трех измерениях.

Однако важнейшей отличительной особенностью человека является то, что рассудочная деятельность, имеющаяся у многих видов животных, у человека достигает наивысшего развития, т.к. он обладает сознанием, способностью к абстрактному мышлению, общению с помощью речи (2-й сигнальной системы) и абстрактных символов (письма), а также к передаче и восприятию информации. Благодаря высокому уровню абстрактного мышления человек создал культуру, стал производить орудия труда с помощью других орудий, развил технологию производства, создал изобразительное искусство, литературу, музыку, религию. Являясь социальным существом, человек способен думать о прошлом, анализировать прошлое и планировать будущее. Этими свойствами животные не обладают.

Эволюция человека. Доказательства происхождения человека от млекопитающих животных.

Антропогенез – эволюция человека. Эволюционное отделение ветви, приведшей к появлению современных людей, произошло по разным данным, от 15 до 6 млн. лет назад. Человек разумный (Homo sapiens) – группа приматов (Карл Линней).

Человек – существо биосоциальное  антропогенез человека, определяется двумя группами факторов: биологическими и социальными.

Систематическое положение человека:

Тип Хордовые: в эмбриональном развитии закладывается хорда, нервная и кишечная трубки, жаберные щели.

Подтип Позвоночные: две пары конечностей, позвоночник, головной мозг из 5-ти отделов, два уха, глаза, выросты мозга и т.д.

Класс Млекопитающие: четырехкамерное сердце, левая дуга аорты, теплокровность, диафрагма, железы в коже, внутриутробное развитие зародыша, развитая кора больших полушарий головного мозга, три слуховые косточки и три отдела уха.

Подкласс Плацентарные: образование плаценты.

Отряд Приматы: четыре группы крови, бинокулярное зрение, относительно большая масса головного мозга, борозды и извилины коры, сложные формы поведения, широкая и плоская грудная клетка, противопоставление большого пальца остальным, общие болезни и паразиты, сходство кариотипов.

Родства человека и животных – рудименты и атавизмы.

Рудименты – органы или части организма, утратившие в процессе эволюции свои первоначальные функции, имеющиеся у всех особей данного биологического вида (копчик и идущие к нему мышцы, околоушные мышцы, зубы мудрости, остаток мигательной перепонки во внутреннем углу глаза, аппендикс).

Атавизмы – это черты предковых форм, проявившиеся у отдельных особей (густая шерсть на лице, наличие хвоста, многососковость, сильно развитые клыки).

      Итоги эволюции человека: прямохождение, изменение таза, облегчение челюстного аппарата, освобождение рук, противопоставление большого пальца на руке остальным, изготовление орудий труда, сплочение членов общества, звуковая сигнализация, речь, развитие головного мозга, абстрактное мышление, искусственная среда существования.

Движущие силы эволюции человека. Биологические и социальные факторы эволюции. Основные стадии эволюции человека.

Развитие человека: прямохождение, увеличение объема мозга и усложнение его организации, развитие руки, удлинение периода роста и развития.

Развитая рука  орудия труда  преимущества над животными.

Добыча огня  индивидуальное поведение  речь-фактор  ускоренное развитие  увеличение объема мозга.

Речь  общество, разделению обязанностей между его членами.

Факторы антропогенеза человека: биологические и социальные.

Биологические факторы – наследственная изменчивость, борьба за существование, естественный отбор, а также мутационный процесс. Морфологические изменения обезьяноподобного предка – антропоморфозы.

Социальные факторы (ведущую роль) - трудовая деятельность, общественный образ жизни, развитие речи и мышления.

            Становление человека как биологического вида проходило через четыре основных этапа эволюции в пределах семейства гоминид:

1 .Предшественники человека (австралопитеки, человек умелый);

2.Древнейший человек (архантропы);            

3.Древний человек (палеантропы);           

4.Человек современного типа (неоантропы).    

            В настоящее время еще нет палеонтологических данных для построения всех промежуточных стадий в развитии гоминид, приведших к человеку современного типа.    

            Вся кайнозойская эра характеризуется постепенным развитием приматов. Потомки первых форм приматов третичного периода сейчас составляют подотряд низших приматов или полуобезьян. Примерно 30 млн. лет тому назад от полуобезьян отделилась ветвь, приведшая в дальнейшем к формированию древних человекообразных обезьян. Это были небольшие животные, жившие на деревьях и питавшиеся растениями и насекомыми. От них произошли все современные человекообразные и вымершая впоследствии группа древесных обезьян — дриопитеки.

            Дриопитеки жили примерно 25 млн. лет назад на юге Азии и Европы, в Африке. Анализ находок показывает, что дриопитеки имели сходство как с человекообразными обезьянами, так и с человеком.

            Кроме дриопитеков существовали и рамапитеки, которые были довольно мелкими существами, передвигавшиеся на четырех конечностях. Рост доходил до 100 — 110 см, а масса взрослой особи не превышала 18 - 22 кг. Объем мозга составлял 350 - 380 см. Рамапитеки были обитателями открытых пространств. Возможно пользовались примитивными орудиями (палками, камнями), но их не обрабатывали. 

            Стадия предшественников человека. Австралопитеки самые древние, переходные от обезьян к человеку формы высших животных, найденные в Южной Африке и вымершие около 1 млн. лет назад. Общим предком всех австралопитеков является австралопитек рамидус, за которым последовал афарензис. Этот австралопитек дал разные направления эволюции: 1) австралопитеков — африканского, эфиопского, робустус и 2) человека -умелого, прямоходящего. Австралопитеки являлись сравнительно крупными организмами (масса приблизительно 20 —65 кг, рост 100 — 150 см). Их эволюция продолжалась очень долго > 3 млн. лет. Ходили они на коротких ногах при выпрямленном положении тела. Масса мозга достигла у некоторых видов 450 г, что больше, чем у современных человекообразных. Австралопитеки обитали на открытых пространствах, где занимались охотой и собирали растительную пищу. В своей деятельности использовали крупные гальки, а также длинные кости крупных копытных, для резки и рубки применяли нижние челюсти и лопатки тех же животных. Австралопитеки были всеядными. Есть находки, указывающие на использование ими огня. По ряду признаков австралопитеки были ближе к человеку, чем современные человекообразные обезьяны.    

            Стадия архантропа (древнейшие люди). Предками их были различные ветви вида Человек умелый. Древнейшие люди объединены в один вид - Человек прямоходящий (Homo erectus). Изучено довольно значительное число форм древнейших людей. Наиболее известны: питекантроп (Ява), синантроп (Китай), гейдельбергский человек (Северная Европа), атлантроп (Алжир) и др. Внешне они были похожи на современных людей, хотя имели существенные различия: мощное развитие надбровного валика, отсутствие настоящего подбородочного выступа, низкий лоб и плоский нос. Объем головного мозга составлял примерно 1000 см. Средний рост взрослого архантропа был почти 160 см, но известны формы, значительно превышающие эти размеры.

            Apxaнтропы в своей деятельности широко использовали орудия, например рубила, остроконечники. Они успешно охотились на крупных млекопитающих и птиц. Жили они в основном в пещерах, были способны строить примитивные укрытия из крупных камней. На месте постоянных стоянок обычно поддерживали огонь. Внутри популяций существовал каннибализм — поедание себе подобных. Совместная трудовая деятельность, стадный образ жизни привели к дальнейшему развитию мозга, размеры которого дали ученым основание предполагать, что эти люди должны были обладать настоящей, хотя и очень примитивной речью.

            После периода максимального расцвета 600 - 400 тыс. лет назад эти люди быстро вымерли, дав начало новой ветви - неандертальцам (древним людям).

            Стадия палеоантропа (древние люди). Выделяют несколько группы древних людей. Хорошо изучены неандертальцы. Название этого вида Человек неандертальский (Homo sapiens ncandertales) - связано с долиной Неандерталь в Германии - где впервые были найдены останки этих людей (XIX в.). Неандертальцы жили 20035 тыс. лет назад. По времени с эпохой неандертальцев совпала эпоха великого оледенения. Этот вид  с начала своего возникновения дал две ветки эволюции: одна была представлена крупными, физически развитыми, но по строению мозга были ближе к древнейшим людям; они явились тупиковой ветвью эволюции. Люди другой ветви были меньше ростом и менее развиты физически, но по строению мозга и по морфологическим признакам были ближе к современному человеку. Для них характерны: низкий скошенный лоб, низкий затылок, сплошной надглазничный валик, большое лицо с широко расставленными глазами, обычно слабое развитие подбородочного выступа, крупные зубы. Рост их достигал 160 см, мускулатура была необычно сильно развита. Крупная голова как бы втянута в плечи.

            Они жили большими стадами, у них существовало разделение труда между мужчинами (изготовление орудий труда, охота, добывание огня, защита) и женщинами (сбор диких плодов и корней), речь еще примитивна, но логические мышление уже было развито. Они строили простые жилища, защищались от холода с помощью одежды из шкур зверей, изготовляли более совершенные кремниевые и костяные орудия.

            Неандертальцы хоронили умерших или погибших соплеменников. Неандертальцы внезапно исчезли 40 — 35 тыс. лет назад. Предполагают, частично истреблены людьми современного типа.

            Стадия неоантропа. Под этим названием понимают как ископаемые формы человека современного физического типа, так и ныне живущих людей. Кроманьонцы — первые современные люди, относящиеся к виду Человек разумный (Homo sapiens). Первая находка была сделана на юге Франции близ местечка Кроманьон. Появление кроманьонцев датируется 40 -30 тыс. лет до н. э. Эти люди имели внешний вид современных людей Характерно отсутствие надбровных валиков, наличие подбородка, прямой лоб. Рост их составлял около 180 см. Кроманьонцы хорошо владели речью, у них зародилось изобразительное искусство. Важнейший вклад этих людей в историю человечества - приучение ими ряда животных и развитие земледелия, выведение культурных растений.

            Палеонтологические находки указывают на то, что в период появления современных людей доживали свой век и последние неандертальцы. В частности, на территории Палестины найдены скелетные останки гибридов между неандертальцами и людьми современного типа.

            Начиная с кроманьонцев, эволюция биологическая все больше переходит в эволюцию социальную (общественную). В результате прогрессивного развития кроманьонского человека появился современный человек с характерными расовыми признаками. 

Движущие факторы антропогенеза

            Различают социальные и биологические факторы антропогенеза.

            Антропогенез - происхождение человека и становление его как вида в процессе формирования общества.

            Человек имеет ряд специфических черт, отличающих его от всего остального животного мира:

1 Человек — существо социальное и живет не только, по биологическим законам, но и по общественным. 

2.Человек владеет членораздельной речью и передает с ее помощью свой опыт. 

3.Человек мыслит отвлеченно, понятиями. У него развита вторая сигнальная система.

            Биологическими факторами происхождения человека были те же, что и у животных: мутации, наследственная изменчивость, борьба за существование, естественный отбор.

            Осмысливая происхождение человека, Ч. Дарвин придавал большое значение таким факторам антропогенеза, как изменчивость телесных и психических свойств предков человека, использование ими тех или иных органов, естественный и половой отбор.

            Естественный отбор действовал в популяциях как древнейших, так и древних людей. Однако он шел не только по физическим признакам. Он благоприятствовал таким чертам, как умение производить орудия, защита стариков, коллективные способы вести охоту и др.  Можно сказать, что наряду с индивидуальным шел и групповой отбор.

            Современные представления о факторах антропогенеза сводятся к пониманию того, что человек является продуктом действия тех же факторов эволюции, которые создали живой мир, однако с учетом специфики человека должны были действовать также и специфические социальные факторы.

            Основы учения о специфических факторах антропогенеза были заложены Ф. Энгельсом в последней трети XIX в. Ф. Энгельс назвал важнейшим специфическим фактором антропогенеза труд. Можно отметить, что труд отделил человека от животных, а люди, благодаря совместной деятельности, руки, органов речи и мозга, стали обладать способностью выполнять все усложняющиеся операции, ставить перед собой более высокие цели и достигать их.

            Таким образом, ведущую роль в становлении вида Человек разумный стали играть социальные факторы: труд, речь, общественный образ жизни, изменение характера пищи, возникновение социальных закономерностей. Прямохождение формировалось длительно по законам биологической эволюции. Оно позволило освободить руки, применить их в трудовой деятельности. Изготовление орудий труда повлияло на формирование руки, а затем и на появление речи. Биологические законы развития сменились на социальные, темпы антропогенеза резко ускорились. Стадность сменяется общественным образом жизни, формируется членораздельная речь, появляется вторая сигнальная система. Идет усиленное развитие мозга и  процессов мышления. Изменяется характер пищи. Человек становится всеядным, учится обрабатывать пищу. Возникают социальные отношения, которые способствуют формированию сознания и мышления, что, в свою очередь, стимулирует развитие мозга.

Основы экологии

Основы экологии. Экологические факторы.

Экология – наука о закономерностях взаимоотношений организмов (популяций, видов, сообществ) между собой и со средой обитания (Э. Геккель, 1869 г.).

Популяция – группа особей одного вида, занимающая определенную территорию и, обычно, в той или иной степени изолированная от других сходных групп.

Сообщество – любая группа организмов различных видов, обитающих на одной площади и взаимодействующих друг с другом посредством трофических или пространственных связей.

Экосистема – это сообщество организмов с окружающей их средой, взаимодействующих между собой и образующих экологическую единицу.

Подходы в изучении экосистем:

Экосистемный подход: поток энергии и круговорот веществ в экосистеме.

Изучение сообществ.

Популяционный подход.

Изучение местообитаний.

Методы исследований: наблюдение, эксперимент, учет численности популяции, метод моделирования.

Задачи: искусственная регуляция численности видов; изучение взаимоотношения организмов, популяций, видов между собой; изучение закономерностей действия факторов неживой природы на организм; решение проблемы охраны природы; создание эффективной агротехники выращивания с/х культур; изучение проявлений борьбы за существование в популяциях.

Группы факторов:

абиотические

Эдафические факторы (структура почвы и ее химический состав)

Климатические факторы (свет, температура, влажность и ветер)

Процессы, протекающие в экосистемах с участием солнечной радиации (света): фотосинтез, транспирация, фотопериодизм, движение, зрение у животных, синтез витамина D у человека, разрушительное действие (радиация).

Приспособления к недостаточной влажности у растений и животных: уменьшения потери воды, увеличение поглощения воды, запасание воды, «уклонение» от проблемы.

биотические – это факторы, связанные с взаимным влиянием организмов друг на друга.

антропогенные – данная группа факторов относится ко всякого рода воздействиям на экосистемы человека.

Воздействие – непосредственное и опосредованное.

Интенсивность действия на организм: оптимальная (благоприятная), максимальная и минимальная (неблагоприятная).

Биогеоценоз как экологическая система, его звенья, связи между ними. Саморегуляция в биогеоценозе. Многообразие видов, их приспособленность к совместному обитанию.

Биогеоценоз – однородный участок земной поверхности с определенным составом живых организмов и элементов неживой природы, связанных между собой обменом веществ и энергии.

Однородные участки территории, заселенные живыми организмами – биотопы.

Сообщества организмов, населяющие биотоп – биоценоз.

Фитоценоз – сочетание различных видов растений, исторически сложившееся на данной территории и обусловленное экологическими условиями – главенствующий компонент биогеоценоза.

Звенья биогеоценоза:

Абиотическое окружение – неживая природа.

Продуценты – зеленые растения и хемосинтез.

Консументы – потребители (живут за счет веществ, созданных продуцентами – плотоядные и травоядные животные).

Редуценты – организмы, разлагающие органические соединения до минеральных веществ (бактерии, грибы).

Продуценты (автотрофы) – организмы, создающие из неорганических веществ, используя энергию солнца, первичное органическое вещество

Консументы (гетеротрофы) – организмы, которые не в состоянии производить органические вещества, а получают их в результате использования в пищу других организмов 2 и 3 порядка.

Редуценты (гетеротрофы) потребляя органические вещества мертвых организмов, разлагают их до неорганических.

Цепь питания: солнечный свет  фотосинтетики (продуценты)  травоядные животные, грибы и другие растения (первичные консументы)  консументы второго порядка  консументы третьего порядка.

Звенья цепи – трофический уровень.

Редуценты разлагают органические соединения – отмершие остатки животных, растений, делают эти вещества доступными для зеленых растений – продуцентов и консументов.

Биомасса. Поток энергии и цепи питания.

Экологическая пирамида.

Биомасса – это масса организмов определенной группы или сообщества в целом.

Растительный и животный опад (трупы, экскременты) пища редуцентов.

Энергия аккумулируется на уровне продуцентов, проходит через консументы и редуценты, входит в состав органических веществ, почвы, и рассеивается при разрушении ее разнообразных соединений.

Биомасса – концентрация живого вещества.

Продуктивность, которая выражается в скорости нарастания биомассы.

валовую первичную продукцию (все органическое вещество экосистемы с затратами на дыхание)

чистая первичная продукция (количество органического вещества, которое остается в экосистеме после затрат на дыхание)

ЧПП = ВПП – затраты на дыхание.

ЧПП различается в разных экосистемах.

Цепь питания – перенос энергии от его источника через ряд организмов.

Продуценты  консументы  редуценты  неорганические вещества

Уровнень питания – трофический уровень.

Экологическая пирамида – собой график состояния каждого трофического уровня. Показатели: численность на единицу площади; биомасса на единицу площади, энергия. Пирамиды, построенные на основе изменений численности и биомассы могут иметь перевернутый вид, а на основе изменений энергии – никогда.

В классической пирамиде в нижних основаниях пирамиды оказываются продуценты, а вверху – консументы.

Линдеманн: только часть энергии поступает на следующий трофический уровень (закон передачи энергии по цепям питания). Трофических звеньев в одной цепи – не более 3–5.

Типы пищевых цепей:

Цепь выедания – начинается с растений, идет к растительноядным животным, далее к хищникам.

Цепь разложения – начинается от растительных и животных остатков, экскрементов животных, далее мелкие животные и микроорганизмы.

Соединения цепей образую пищевую сеть экосистемы.

Изменения в биогеоценозах. Причины смены биогеоценозов. Агроценоз.

Биогеоценоз – саморегулирующаяся система, но устойчивое состояние их никогда не достигается полностью.

Изменчивость биогеоценоза – в изменении численности отдельных видов и в смене биогеоценозов. Численность популяции зависит от соотношения рождающихся и погибающих особей.

Смена биогеоценозов – длительный процесс – главное отличие от сезонных колебаний популяционных показателей.

Экологическая сукцессия – в определенном местообитании происходит закономерная смена популяций различных видов в строго определенной последовательности.

Агроценозы – искусственные биогеоценозы, создаваемые человеком для своих целей путем посева или посадки и дальнейшего культивирования возделываемых растений, а также использования территорий для интенсивного выпаса домашних животных.

Главная особенность – явно преобладает один или очень небольшое количество видов растений.

Действие искусственного отбора.

Неустойчив, если его не поддерживать он быстро разрушится.

Особенности существования:

низкое видовое разнообразие

обычно существует 1–2 сезона

организмы, обитающие в пределах агроценоза и не относящиеся к объектам хозяйственной деятельности человека, испытывают на себе постоянное воздействие антропогенных факторов и вынуждены приспосабливаться к ним.

Индустриальная технология характеризуется высокой специализацией хозяйства, применением достижений селекции, агрохимии, растениеводства, использованием высокопроизводительной техники, которая работает с учетом биологических особенностей сельскохозяйственных растений.

Условие применения – размещение сельскохозяйственных культур по лучшим предшественникам. Условие получения высоких урожаев – своевременное проведение всех сельскохозяйственных работ.

Способствует значительному повышению продуктивности агроценозов.

Биосфера, ее границы. Учение В. И. Вернадского о биосфере. Ведущая роль живого вещества в преобразовании биосферы.

Биосфера – оболочка Земли состав, структура и обмен энергии которой определяет деятельность живых организмов. Целостное учение о биосфере разработал В. И. Вернадский. Биосфера расположена в пространстве от верхних слоев атмосферы (20–25 км.) до 2–3 км. ниже уровня суши и 1–2 км. ниже дна океана. Вернадский выделил в биосфере несколько типов веществ:

живое, т.е. совокупное вещество всех живых организмов;

биогенное, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (нефть, уголь, известняк);

костное, образующееся в процессах, где живые организмы не участвуют;

биокостное – создается одновременно живыми организмами и неорганическими процессами (почва).

Главную роль в теории биосферы Вернадского играет представление о живом веществе. Границы биосферы обусловлены возможностями жизни. Верхняя граница обусловлена губительным действием ультрафиолета, нижняя – температурой земных недр. Основная масса организмов сосредоточена в середине, главным образом на границе трех сред ѕ атмосферы, литосферы и гидросферы. Благодаря деятельности живого вещества изменился состав атмосферы.

Благодаря живому веществу, в биосфере постоянно осуществляется круговорот энергии и многих химических элементов.

Круговорот веществ в экосистеме. Основной источник энергии, обеспечивающий круговорот.

Функционирующее в биосфере живое вещество постоянно осуществляет круговорот веществ и превращение энергии.

В каждом биогеоценозе:

Аккумуляция преобладает там, где образуется живое вещество (поверхность океана и суши).

Минерализация преобладает в местах разрушения органики (почва, дно океана).

Функции живого вещества в биосфере (Вернадский):

Газовая функция состоит в том, что зеленые растения выделяют при фотосинтезе кислород, а при дыхании – углекислый газ.

Концентрационная функция осуществляется благодаря тому, что живые организмы захватывают необходимые химические элементы и накапливают их в местах своего обитания.

Окислительно-восстановительная функция проявляется в окислении и восстановлении химических веществ в воде и на почве, в результате чего образуются отложения различных руд, бокситов, известняков.

Основу биологического круговорота составляет солнечная энергия и улавливающий ее хлорофилл зеленых растений. Биогеоценозы осуществляют циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов (биогенная миграция атомов).

Атомы мигрируют через многие живые организмы и костную среду.

Основные характеристики биосферы:

Биомасса представляет собой количество живого вещества на Земле.

В биосфере происходит постоянная циркуляция веществ и энергии.

Один из главных циклов – гидрологический, то есть цикл воды. Вода во время круговорота может находиться во всех своих агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном.

Кроме круговорота воды в биосфере важнейшими круговоротами являются круговороты углерода, азота, фосфора, кислорода и калия.

Живое вещество, его роль в круговороте веществ и превращении энергии в биосфере.

Живое вещество – это главное вещество биосферы (Вернадский).

     Почва – биогеоценоз с разнообразными мельчайшими живыми организмами, рыхлый поверхностный слой земной коры, изменяемый атмосферой и организмами и постоянно пополняемый органическими остатками.

Образование живого органического вещества – на земной поверхности; разложение органических веществ, их минерализация – в почве.

Процессы в почве: заселена живыми организмами, движение растворов и выпадение, газообмен. Деятельность человека  гибель почвенных организмов, играющих важную роль в биосфере.

Физические свойства и химический состав вод океана весьма постоянны и создают среду, благоприятную для жизни. Фотосинтез (1/3 от всего на планете) водорослей (микропланктон) в верхнем слое – трансформация энергии солнечного излучения.

Население дна – бентос.

Сгущения организмов в океане: планктонное, прибрежное, донное. Живые сгущения – колонии кораллов.

Распространены бактерии, превращающие органические остатки в неорганические вещества.

Живое вещество – основная роль в круговороте веществ в природе.

Функции в биосфере:

газовая – выделение и поглощение О2 и СО2

окислительно-восстановительная – превращение веществ и энергии.

концентрационная – способность живых организмов накапливать в своих телах химические элементы в виде органических и неорганических соединений.

Круговорот химических элементов в биосфере – процессы превращения и перемещения вещества в природе: повторяющиеся взаимосвязанные физико-химические и биологические процессы. Основы биологического круговорота – солнечная энергия и улавливающий ее хлорофилл зеленых растений.

Биогеоценозы осуществляют циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов. Без миграции атомов жизнь на Земле не могла бы существовать.

Изменения в биосфере под влиянием деятельности человека, сохранение равновесия в биосфере как основа ее целостности.

Деятельность человека  загрязнение атмосферы, воды и почвы, разрушение экосистем, исчезновение видов растений и животных, увеличение концентрации углекислого, парниковый эффект.

Парниковые газы: оксид углерода, метан, оксид азота и фреоны.

Наибольшие изменения в погоде: увеличение числа экстремально жарких дней, длительные засухи, сменяющиеся проливными дождями, страшные ураганы, штормы и смерчи, причудливые, непредсказуемые смены погоды.

Потепление  изменение схемы зарождения тайфунов, уменьшение количества осадков, опустынивание, гибель тропических лесов, частичное таяние льдов и подъем уровня Мирового океана.

Изменение климата  усиление голода в странах третьего мира, ужесточение конфликтов из-за воды рек, используемых несколькими странами, рост беженцев, увеличение напряженности между сопредельными странами.

Роль озонового слоя: поглощает, не пропуская к поверхности Земли, ультрафиолетовое излучение, смертоносное для живых организмов.

Уничтожение лесов: массовое заболевание и гибель лесов Европы и Северной Америки из-за глобального загрязнения атмосферы, вод и почв, интенсивные рубки.

Состояние почв: непрерывное уничтожение почвенного покрова, эрозия – потеря верхнего плодородного слоя, неправильный режим полива и сброса дренажных вод  засоление.

Потеря биоразнообразия. Совокупность всех видов – биоразнообразие Земли. Где разрушаются экосистемы или сильно сокращается их площадь, исчезают виды.

Ноосфера – это состояние биосферы, где разумная деятельность человека становится определяющим фактором ее развития (Э. Леруа и П. Тейер де Шарден,1927 г.).

Учение о ноосфере – В. И. Вернадский в 40-х годах ХХ века.

Бионика

            Бурный научно-технический процесс, свойственный современности, сопровождается возникновением новых наук на стыке различных отраслей знания. К таким наукам, возникшим в смежных областях знания в XX в., относится бионика - наука, целью которой является использование в технике принципов строения биологических систем и процессов, совершающихся в живых организмах. Рассмотрим применение бионики в двух сферах деятельности человека - на транспорте и в архитектуре, которые обязаны бионике появлением как едва ли не самых простых, так и самых сложных механизмов.

            Обратимся вначале к транспорту.

            Природа не создала ни колеса, ни гребного винта, ни пропеллера, ни многих других устройств в том виде, в котором мы привыкли их наблюдать в различных современных нам моделях транспорта. И все же ни одна отрасль техники так не обязана природе своим возникновением и стремительным развитием, количеством заимствованных у нее идей и методов, как транспортная промышленность во всем разнообразии.

            Идея создания реактивного двигателя, конструкция которого знакома в настоящее время едва ли не каждому, безусловно брала свое начало в опытах, объектам которых были животные, относящиеся к типу простейших, классу жгутиковых, а именно - четырехжгутиковая медузохлорис фиоле и краспедотелла пилеолюс. Медузохлорис фиоле несколько походит на медузу как морфологически, так и по типу передвижения: сдвигая сидящие по краям зонтиковидного тела жгутики, это простейшее выбрасывает струю воды и благодаря этому движется в противоположном направлении. Еще совершеннее принцип реактивного движения реализуется у краспедотеллы пилеолюс: вода набирается внутрь тела, а затем с силой выбрасывается через сужаемые к тому времени отверстия.

            Более наглядно сходный тип движения проявляется у некоторых кишечнополостных (гидр и медуз) и головоногих моллюсков (осьминогов и кальмаров), но большинство ученых-энциклопедистов, в том числе и великий Леонардо да Винчи, считали этот принцип движения интересным, однако не пригодным для практического использования человеком, т. К. Реализация принципа реактивного движения наблюдалась только в морской воде и для животных, которым свойственна малая плотность тела. И только обнаружение реактивного принципа движения у жгутиковых, живущих в пресной воде, подтолкнуло к внедрению этого принципа в технику.

            Таким образом, можно сказать, что природа научила человека строить самолеты, плавать и сооружать речные, морские и океанские корабли. Бесчисленное количество видов транспорта существует в современном нам мире техники, и стоит отметить, что к большинству из них «приложила руку» Природа. Идея создания снегоходов также заимствована у нее. В основу конструкции снегохода положен принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу. Значительные снеговые преграды пингвины преодолевают достаточно своеобразным способом - скользя на брюхе и отталкиваясь от снега ластами, что спасает птицу от проваливания в снежную толщу и одновременно позволяет развивать весьма приличную скорость - до 20 км/ч. Сконструированная по этому принципу машина-снегоход достигает большей скорости - до 50 км/ч.

            Большое значение имеют принципы бионики в создании землеройных машин. Не стоит даже упоминать известного всем дождевого червя: если возможно было бы распределить по всей поверхности суши почву, перепахиваемую дождевыми червями за каждые 10 лет, то получился бы слой толщиной более 5 см. Этот по сути своей крайне примечательный факт имел бы для бионики весьма скудное значение, если бы человек не обратил внимание на своеобразный землеройный механизм, присущий как дождевому червю, так и другим кольчецам.

            Рассмотрим этот механизм на примере червей приапулид, относящихся к первичнополостным. Эти черви длиной от 2 до 20 мм, живут неглубоко под морским дном в зонах отмелей и являются непревзойденными мастерами по прокладке ходов в достаточно плотном грунте. Способ, используемый ими при строительстве ходов, по праву можно назвать гидравлическим. Основным «буровым инструментом» для приапулид служит короткий и мощный выбросной хоботок. Упираясь в грунт, червь при помощи шипов хоботка пробивает во влажной почве ход, поначалу тонкий. Затем хоботком, раздувающимся за счет поступающей из тела жидкости, червь расширяет и обжимает ход. Далее приапулида подтягивается, заполняет расширенное и обжатое отверстие своим туловищем. При таком передвижении червь обнаруживает большую двигательную силу, в десятки раз превышающую его собственный - весьма небольшой - вес.

            На суше и на воде. Внимательное исследование приспособлений у быстроплавающих водных животных может явиться источником изобретений, позволяющих увеличить скорость судов без повышения мощности основных механизмов. С этой точки зрения наиболее перспективны для изучения китообразные, способные стремительно двигаться как в одиночку, так и целыми стадами.

            Непосредственные данные о быстроте хода свободно передвигающихся китообразных были получены во время дельфинобойного и китобойного промысла при погоне за добычей, а также в результате наблюдений за китообразными, часто сопровождающими суда.

            Американское судно «Монтерей», скорость которого составляла 36-39 км/ч, было использовано в ходе специальных наблюдений за скоростью движения зубатых китов. С этого судна исследователи наблюдали, как косатка - лучший скороход среди китообразных - двигалось в течение 20 мин с переменной скоростью - от 38 до 55 км/ч. Стадо обыкновенных дельфинов численностью в 200-500 голов в течение 8-25 мин мчалось со скоростью 26-33 км/ч. Еще раньше советские исследователи Шулейкин, Лукьянов и Стась установили, что скорость этих дельфинов 36 км/ч, но, возможно, что они могут двигаться настолько же стремительно, что и косатки, что объясняет их отсутствие в рационе косаток.

            Высокие прыжки дельфинов (афалина и дельфин-белобочка выскакивают из воды на высоту до 4-5 м, причем афалины могут выскакивать из воды даже возле самого берега, над глубиной всего лишь в 2-3 м или в искусственных бассейнах диаметром не более 20-25 м) и полное выпрыгивание из воды даже в узких пространствах подтверждают как быстроходность этих животных, так и эффективность движения, которое кажется практически невозможным и непропорциональным их мускульной силе.

            В ходе исследований, проводимых в 1960 г. Немецким ученым М. О. Крамером, было доказано, что сопротивление воды, испытываемое дельфином при движении, в 10 раз меньше, чем сопротивление при движении модели такого же размера с обшивкой из металла. Очевидно, быстроходность китообразных во многом обусловливается специфичностью строения их кожи.

Специфичность кожного покрова китообразных обеспечивает гидрофобные, антитурбулентные и демпферные (гасящие) свойства, а также вызывает особый двигательный механизм, свойственный ей. Именно он способствует сбиванию вихревых потоков вокруг быстро перемещающегося тела.

            Несмачиваемость китообразных связана с качеством кожи. По представлению физико-химиков А. А. Глаголевой и З. М. Афонина, гидрофобное тело при движении в воде как бы катится на шарикоподшипниках, т. К. Гидрофобность является фактором, провоцирующим образование в слое воды, ближайшем к поверхности тела, кольцевых структур, состоящих из отдельных молекул.

            Антитурбулентные и демпферные качества кожи китообразных уже в 1960 г. Были использованы Крамером при создании в США искусственного покрытия «ламинфло» (от латинского laminar flow - ламинарное течение). Модель торпеды, обшитая такой псевдокожей, при испытаниях в потоке воды при скорости 70 км/ч имела сопротивление жидкости на 60 % ниже, чем контрольная модель.

            Искусственная кожа «ламинфло» была сделана из трех резиновых слоев, общая толщина которых составляла 2,5 мм: гладкого верхнего (0,5 мм), среднего эластического с гибкими палочками (1,5 мм) и примыкающего к корпусу модели нижнего слоя (0,5 мм). В пространстве между палочками среднего слоя вводилась демпфирующая жидкость, заключенная между нижним слоем и крышей среднего слоя. Гладкий верхний слой имитирует эпидермис кожи дельфинов, средний (с палочками и демпфирующей жидкостью) соответствует дерме, содержащей коллагеновую и жировую ткань, а нижний играет роль опорной пластины. Демпфирующая жидкость при давлении сверху может перемещаться в пространствах между палочками, преодолевая силу сопротивления и играя роль демпфера гасителя вихрей в пограничном слое воды, ближайшем к корпусу модели.

            Возможно, большое значение имеет двигательный механизм кожи, сбивающий вихревые потоки вокруг движения тела. При критической величине скорости дельфинов, когда вихревые потоки, возникшие вокруг тела, не могут быть понижены антитурбулентными и гидрофобными свойствами кожи, возникают «кожные волны» - волновое движение самого кожного покрова вокруг тела. Вероятно, именно этот механизм дает возможность дельфинам мчаться с большой скоростью даже в тесном стаде.

            Японским ученым профессором Тако Инуи было сначала доказано, а потом и на опыте показано, что грушеобразная форма головы кита более приспособлена к перемещению в воде, нежели ножевидная форма носовой части современных судов. Испытания доказали, что «китообразный» корабль экономичен - мощность его двигателей на 25 % меньше, а скорость и грузоподъемность обычные.

            Использование принципов бионики в авиастроении также весьма значительно. Повтор схемы ветвления птеростигм (крыловых шилок) комаров при конструкции крыла самолета значительно облегчил и упрочнил крыло. Использование в конструкции принципа строения кромки крыла совы позволило добиться практически бесшумного полета.

            Из приведенных выше примеров видно, что значение бионики применительно к транспортной промышленности переоценить трудно, но не менее весом вклад бионики в архитектуру. Начать хотя бы с того, что известное еще архитекторам древности «золотое сечение», при использовании которого здания оказываются наиболее красивыми, полностью повторяет пропорции живого организма.

            Множество принципов постройки зданий и других сооружений человек заимствовал у природы. Например, результат совместного изучения биологами и архитекторами Эйфелевой башни был крайне неожиданным: оказалось, что изящная, почти кружевная конструкция этого своеобразного символа Парижа практически полностью повторяет расположение костных балок большеберцовой кости, выдерживающей тяжесть человеческого тела. Нельзя точно сказать, что было первично - идея создания башни с чисто инженерной точки зрения или применение принципов бионики, но красота и прочность конструкции известны на весь мир.

            Французскому профессору Ле-Риколе человеческий скелет дал идею создания дырчатых конструкций, имеющих большую прочность и сравнительно небольшой вес. Строение арочного моста практически полностью повторяет позвоночно-реберный каркас позвоночных животных.

            Всем известные слуховые окна - отдушины, призванные поддержать равновесие давления воздуха внутри домов и атмосферного давления, имеют свой прототип в анатомическом строении человеческого тела: сходную функцию (поддержание равновесия давления в воздухокостных полостях черепа и атмосферного давления) осуществляет евстахиева труба.

            Не всегда обращение к наиболее высокоорганизованным животным - птицам и млекопитающим - оказывается наиболее удачным. Например, французские инженеры создали мост, в основу конструкции которого положен принцип строения скелета морской звезды, имеющей треугольную форму. Прочность полученной конструкции превзошла все результаты теоретических расчетов.

            Используемый в современном строительстве монолитный метод является практически полным повторением многовекового образования коралловых рифов, возводимых над рифовыми кораллами в Тихом океане.

            С незапамятных времен православные храмы, возводимые на Руси, увенчивались куполом - «луковкой». И это не просто поэтическое название, а реальное использование принципов бионики в архитектуре, хотя, конечно же, использование это было чисто интуитивным. Но именно форма луковицы удовлетворяет целому ряду противоречивых требований: эстетически полноценному внешнему виду, прочности конструкции под воздействием непогоды, уменьшению нагрузки на каменное основание, возможно долгому сохранению декоративного покрытия.

            При проектировании Сикстинской капеллы ставилась задача возможно максимального освобождения конструкции от несущих колонн. Ключом к решению этой задачи оказалось предложенное учеными того времени копирование пропорций куполов термитников, не имеющих подпорок. Другой формой правильного купола, отличающегося высокой прочностью и требующего минимального количества несущих колонн, является складчатая конструкция, подсказанная человеку формой листьев некоторых растений, имеющих ребристую и веерообразную форму. В современной архитектуре получают тонкостенные складчатые конструкции, с использованием которых в США построена складчатые купола с пролетами в 100-200 м, а во Франции - 218 м.

            В основу проекта древнегреческих амфитеатров с их поистине великолепной и непревзойденной до сегодняшнего дня акустикой было положено чашеобразное строение цветка водяной кувшинки, жужжание насекомых в котором звучит наиболее громко. Это было подмечено еще до нашей эры, но конструкции древних театров не кажутся устаревшими и сейчас.

            Многое привнесено в архитектуру из мира насекомых. Так, в создании панелей, из которых сейчас построены многие дома, использован принцип строения пчелиных сот, позволивший параллельно с увеличением запаса прочности конструкции значительно облегчить и удешевить их. Некоторые из ультрасовременных покрытий для крыш и стен домов буквально имитируют покрытие верхних крыльев жуков, обладающих терморегулирующим действием.

Прообразом множества архитектурных конструкций послужили растения. Говоря об этом, в первую очередь стоит остановиться на коленчатых конструкциях телебашен, полностью повторяющих принцип организации стеблей злаков, наиболее наглядно проявляющийся в коленчатом строении стебля бамбука.

            Архитектор Огюст Перре, проектировавший здание театра на Елисейских полях в Париже, построил большой музыкальный зал этого театра, задаваясь целью дать звуку наибольшую свободу для того, чтобы он хорошо распространился и не требовал дополнительной электронной акустической системы. Реализация этого проекта стала возможной только при использовании принципов бионики: был построен сперва закрытый зал, а внутри него - другой, «просверленный» в пропорциях, точно соответствующих покрытию листьев.

            Понтонные конструкции, крайне перспективные благодаря исследованиям по получению белка из морских организмов, во многом имитируют скопление листьев белой кувшинки - и соотношением объема и площади, и наличием воздушной подушки.

Нередко листья сворачиваются в трубку, закручиваются в причудливую спираль, образуют желоба, что обеспечивает наибольшую их прочность. Такая трансформация легла в основу идеи проекта речного моста в виде полусвернутого листа. При испытании экспериментальной модели такого моста была отмечена поразительная легкость и необычная прочность конструкции, обеспечивающаяся загнутыми краями.

            Секрет зеленого листа. Система сосудов у крепких древесных растений, позволяющая влаге под значительным давлением подниматься на немалую высоту, была использована при проектировании современных водонапорных башен.

            Возможность транспирации, аналогичной подобному эффекту у растений, сейчас широко изучается в ходе экспериментов по проектированию «дышащих» стен жилых домов, в которых не будет скапливаться излишняя влага, а это, с одной стороны, приведет к повышению срока службы построек (т. К. Отсыревание стен является первым шагом к их разрушению), а с другой - к значительному улучшению санитарно-гигиенических условий внутри таких зданий, что благоприятно отразится на здоровье людей, в этих зданиях живущих и работающих.

Большое значение в современной технике имеют те принципы бионики, которые берут свое начало в жизни пауков. Это и паутинные коконы, в которые паук «укутывает» свои жертвы, являющиеся прообразом изоляции по типу муфты, и конструкции подвесных мостов, впервые разработанные инженером Сэмюэлем Брауном именно в ходе наблюдений за провисавшими между деревьями нитями паутины. Из «паучьей жизни» достался человеку принцип сетчатых фильтров, используемых в различных устройствах и основанный на конденсации капель жидкости на сетчатой основе. Такой фильтр очень легок в очистке, обладает высокой надежностью и длительным сроком эксплуатации.

            Все описанные выше примеры использования открытий бионики в хозяйственной деятельности человека показывают и важность развития этой науки, и неисчерпаемость сокровищницы инженерной мысли природы. Человек еще только пытается понять бесконечные приспособления живых организмов к условиям существования, а природа уже веками использует многие и многие законы, которые по праву могут считаться венцом инженерной творческой мысли. Экономичность и безотказность принципов функционирования живых организмов оттачивались в горниле эволюции гораздо дольше, чем на земле существует человек, считающий себя венцом творения.

            Если представить весь период от возникновения жизни на земле и до нашего времени в виде условного календарного года, то начало промышленной эволюции, столь превозносимое человеком наших дней, придется на 23 часа 59 минут 58 секунд 31 декабря. А это значит, что потенциал, накопленный природой, бесконечен и беспределен по сравнению с потенциалом, накопленным человеком. В современном нам мире уже прошла волна покорения природы, когда человек безраздельно возвышался над всем вокруг, но до того времени, когда человек почувствует себя сыном Природы, а значит - и ее учеником, еще долго.

            Но благодаря развитию бионики и многих других смежных дисциплин можно считать век использования природных, экономически безопасных и экономически выгодных технологий все более и более близким. Кто знает, может быть, уже через десять лет мы будем летать, как птицы, и не бояться, что дом, в котором живут люди, внезапно рухнет, потому что использованные при его создании принципы вступят в противоречие с принципами природы.

Список рекомендуемой литературы.

1.      Биология. В.М. Константинов, А.Г. Резанов, Е.О. Фадеева, Москва, ИЦ «Академия». 2010, 308 страниц.

2.      Общая биология, под редакцией академика РНАП В.Б. Захарова, Москва, «Дрофа» 2000, 614 страниц.

3.      Беляев Д.К., Дымшиц Г.М., Рувимский А.О. Общая биология. – М., 2000.

4.      Захаров В.Б., Мамонтов С.Г., Сивоглазов В.И. Биология. Общие закономерности. – М., 1996.

5.      Болгова И.В. Сборник задач по общей биологии. - М 2006.

6.      Зверев А.Т., Кузнецов В.Н. Экология методическое пособие 10-11 класс. – М.,2004

7.      Козлова Т.А. Тематическое и поурочное планирование по биологии к учебнику Каменского А.А., Крискуного Е.А., Пасечника В.В. «Общая биология. 10-11 классы».

8.      Пименов А.В. Уроки биологии в 10-11 классах 1 и 2 часть. – Ярославль Академия развития.

9.      Скорик А.В., Ларина О.В. «Экология тесты».

10.   Константинов В.М., Рязанов А.Г., Фадеева Е.О. Общая биология.      – М., 2006.

11.    Захаров В.Б., Мамонтов С.Г., Сонин Н.И. Общая биология. 10 кл. Рабочая тетрадь. – М., 2001.

12.   Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология. 10—11 кл. – М., 2001.

13.   Константинов В.М., Рязанова А.П. Общая биология. Учебное пособие для СПО. – М., 2002.

14.   Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Лощилина Е.Н. Общая биология. 10 кл. Учебник. – М., 2002.

15.   Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Лощилина Е.Н. Общая биология. 11 кл. Учебник. – М., 2002.

16.   Чебышев Н.В. Биология. Учебник для Ссузов. – М., 2005.