I. Биология – это наука о жизни. Уровни организации живой материи.

I. Биология – это наука о жизни. Уровни организации живой материи.

С переводе с греческого “bios” – жизнь, “logos” – наука. Термин ввел Жан Батист Ламарк. Биология – это наука о жизни как об особом явлении природы. Биология включает ряд биологических наук, которые изучают жизнь как особую форму движения материи, законы ее развития и существования:

- морфология – это наука, изучающая внешнее и внутреннее строение объектов живой природы;

- цитология – это наука, которая изучает строение клетки и функции ее органелл, органоидов;

- систематика, классификация – изучают многообразие живых организмов и создают единую систему этого мира;

- генетика – это наука, изучающая законы наследственности и изменчивости;

- физиология – это наука, которая изучает питание, дыхание, обмен веществ живых организмов.

Биология связана с другими науками, изучающими физико-химические основы всего живого, - это:

- биофизика;

- биокибернетика;

- молекулярная биология;

- биотехнология и т.д.

Микробиология – это наука о жизни мельчайших живых организмов – микроорганизмов. Она изучает их строение, биологические свойства, роль в различных процессах, возможности использования в технологических или иных областях жизнедеятельности человека; изучает взаимоотношения микроорганизмов между собой, а также разрабатывает методы устранения их негативного воздействия.

К микроорганизмам относятся: дрожжи, бактерии, вирусы, актиномицеты и т.д. Их объединяют малые размеры, относительная простота строения, близость форм, общность методов выращивания и исследования, элементы генетической связи, а также изменения, которые они вызывают в субстратах и живых организмах, в которых они размножаются.

Живая материя имеет четкую организацию, которая включает ряд уровней, каждый из которых состоит из определенных компонентов, являющихся объектом исследования на этом уровне. Каждый последующий уровень специфичен, вытекает из предыдущего. Это свидетельствует о целостности и единстве живой природы.

Уровни организации живой природы:

1. Молекулярно-генетический: молекулы веществ, органические и неорганические, которые входят в состав клеток, а также ген, его изменение, закономерности передачи генетической информации.

2. Клеточный: элемент исследования – отдельная клетка. Клетка – это структурная и функциональная единица, возникающая только от клетки. Жизнь вне клетки невозможна. Жизнь можно определить как способ существования биополимерной системы, в основном белков и нуклеиновых кислот, которые организованы не менее, чем в клетку. Клетка находится в стационарном состоянии с окружающей средой, обладает рядом свойств, характерных живым организмам. Неклеточное строение имеют только вирусы.

3. Организменный элементарной единицей является особь или организм определенного вида, способный к развитию как живая система до прекращения существования.

4. Популяционно-видовой: единицей является популяция или совокупность организмов одного вида, объединенных общим местом обитания, в котором формируется эта популяция.

5. Биогеоценотический: единицей является биогеоценоз – совокупность организмов разных видов и царств во взаимосвязи с факторами среды их обитания.

6. Биосферный уровень: единица – биосфера. Совокупность всех биогеоценозов, включая все явления жизни на Земле. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанное с жизнедеятельностью всех живых организмов.

II. Основные свойства живых организмов.

Для всех живых организмов, образующих ту или иную систему, характерны следующие свойства:

1. Все живые организмы состоят из одних и тех же химических элементов. В живых организмах 98% сухих веществ составляют: водород, кислород, азот и углерод (50%).

2. Обмен веществ – метаболизм. Все живые организмы – это открытые биологические системы. Они поглощают из внешней среды необходимые им вещества и выделяют продукты жизнедеятельности. Через них проходят потоки веществ и воздуха. Это свойство обеспечивает постоянство химического состава организма.

3. Самовоспроизведение или размножение – обеспечивает поддержание жизни любого вида и жизни вообще. В основе размножения лежит образование новых структур, обусловленное информацией, заложенной в ДНК.

4. Наследственность – это способность организмов передавать признаки.

5. Изменчивость – это способность организмов приобретать новые признаки и свойства.

6. Рост и развитие. Рост – это увеличение размеров и биомассы за счет потребленных и усвоенных питательных веществ. Развитие –это изменение новых качественных признаков.

7. Раздражимость. Проявляется в реакциях живых организмов на внешнее воздействие, при этом организмы избирательно реагируют на условия окружающей среды.

8. Дискретность. Любая биологическая система на любом уровне состоит из отдельных, но взаимодействующих между собой частей. Они образуют структурно-функциональное единство.

9. Саморегуляция – это способность организмов, обитающих в непрерывно изменяющихся условиях среды, поддерживать постоянство своего состава и интенсивность физиологических процессов (гомеостаз).

III. Разнообразие живых организмов. Функции, присущие всем живым организмам.

Издавна весь мир делился на два царства: растения и животные. После открытия А. ван Левенгуком мира микроорганизмов их стали относить к царству животных. Во второй половине XIX века немецкий ученый Геккель предложил выделить микроорганизмы в отдельную группу Protista (протисты, первосущества). К протистам относят все мельчайшие существа живой природы, у которых отсутствует дифференцировка на органы и ткани и, которые занимают промежуточное положение между растениями и животными.

Дальнейшее изучение мира протистов показало их неоднородность: по клеточному строению и уровню организованности клетки они значительно различались, что стало причиной деления их на высшие и низшие. Высшие – это грибы, дрожжи, они имеют клеточное строение, подобное растительным и животным организмам (эукариотное) строение клеток. Низшие протисты – это бактерии, имеющие прокариотное строение клеток. В настоящее время мир живой природы делится на четыре царства:

1. Растения;

2. Животные;

3. Грибы;

4. Бактерии (прокариоты).

Все химические вещества, входящие в состав живой материи, подобны для прокариотов и эукариотов, но специфические структуры существенно различаются. Основное и главное отличие – это строение и функционирование генетического аппарата. Эукариоты имеют истинное ядро, отделенное от содержимого клетки ядерной оболочкой; ДНК содержится в хромосомах. Размножаются половым (мейоз) и бесполым (митоз) способами.

Прокариоты не имеют истинного ядра. Генетичекий аппарат называется нуклеоид – это молекула ДНК, сильно спирализованная, замкнутая в кольцо, свободно плавающая в цитоплазме. Каких-либо оболочек, отделяющих ДНК от содержимого клетки нет, размножаются простым делением.

IV. Общие принципы структуры живых организмов.

Все живые организмы имеют общие принципы структуры:

- единство элементарного состава;

- единство типов химических соединений;

- единство субклеточной организации, т.е. каждый организм дискретен, состоит из структур, выполняющих ту или иную функцию и имеющих мембранный тип строения;

- единство клеточного строения живых организмов, т.е. клетке присущи все функции, общие для живых организмов: дыхание, движение, пищеварение, наследование основных форм структуры и функций.

Клеточный и организменный уровни организации материи

1. Величина и форма бактерий.

2. Строение прокариотной клетки.

3. Способы движения бактерий, спорообразование.

4. Систематика бактерий. Характеристика отдельных таксонов.

Бактерии – одноклеточные организмы, представляют собой одновременно клетку и целостный организм с присущими всем живым особям свойствами и функциями. Строение прокариотной клетки рассмотрим на примере бактериальной.

Митотический цикл клетки

1. Митотический цикл клетки.

2. Гаметогенез

I. Митотический цикл клетки

Все клетки, будь то одноклеточный организм или клетка многоклеточного организма, размножаются. В XIX веке было доказано, что всякая клетка происходит только от клетки. Жизненный цикл клетки – это промежуток времени от момента возникновения клетки в результате деления до ее гибели или последующего деления.

Деление клетки – митоз – это способ деления эукариотных клеток, при котором из каждой вновь возникающей клетки получается генетический материал, идентичный исходной клетке. Период между делениями называется интерфаза. Интерфаза вместе с митозом образуют клеточный цикл или период жизни клетки от деления до деления.

Интерфаза

Продолжительность ее колеблется в широких пределах. Большую часть жизни клетка находится в интерфазе, в которой различают три периода:

1. Пресинтетический – в клетке увеличивается содержание РНК, белков, растет число рибосом, растет поверхность “шероховатого” эндоплазматического ретикулума, т.е. клетка растет. Период следует сразу за делением. Он самый продолжительный, идет подготовка к удвоению хромосом.

2. Синтетический – происходит удвоение хромосом, в основе этого лежит репликация ДНК. Каждая хромосома удваивается и состоит из двух полностью идентичных друг другу сестринских хромосом.

3. Постсинтетический – клетка готовится к делению, запасается энергией. Синтезируются белки микротрубочек, которые во время митоза формируют веретено деления. В интерфазном ядре хромосомы очень длинные, представляют собой тонкие хроматиновые нити в виде клубка. Видны хромосомы только в электронный микроскоп. Дальше наступает митоз.

Митоз

Митоз – это собственно деление, различают четыре фазы:

1. Профаза;

2. Метафаза;

3. Анафаза;

4. Телофаза.

В профазе хромосомы становятся видимыми, исчезает ядрышко, ядерная оболочка, хромосомы начинают двигаться.

В метафазе каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые соединены в центромерных участках. Хромосомы перемещаются к экватору клетки.

В анафазе хроматиды, удвоенные еще в интерфазе, становятся самостоятельными дочерними хромосомами и расходятся к полюсам клетки.

Телофаза: хромосомы, собравшиеся у полюсов, деспирализуются, формируется ядерная мембрана, из компактных хромосомы становятся тонкими и длинными. Формируется ядрышко внутри ядра. Заканчивается телофаза цитокинезом – делением цитоплазмы.

Митоз – это основа роста и вегетативного, т.е. бесполого, размножения эукариотного организма. Он способствует поддержанию в клетке постоянного числа хромосом, а это является основой генетического критерия вида.

В природе существует амитоз – это прямое деление ядер путем фрагментации или перетяжки. В результате образуются многоядерные клетки. Характерно для заканчивающих свое развитие клеток или при патологических процессах.

II. Гаметогенез

Размножение – это универсальное свойство всех живых организмов. Бактерии и одноклеточные организмы размножаются делением. С появлением многоклеточных возникли системы взаимодействия клеток, сложилось индивидуальное развитие организма, которое тесно связано с его размножением и возникновением различий между организмами. У многоклеточных организмов в размножении участвуют лишь некоторые клетки, поэтому у них сформированы репродуктивные органы, где формируются клетки, способные дать начало новому организму. К репродуктивным относятся и генеративные органы, где формируются половые клетки – гаметы. В отличие от самотических, или вегетативных, клеток, имеющих двойной набор хромосом, гаметы гаплоидны, имеют один набор хромосом. Они способны к слиянию и образованию зиготы.

Ä + Ä ® 2´

♂ ♀

Если новый организм возникает из половых клеток, то говорят о половом размножении, если из самотических – о бесполом.

Новые организмы при бесполом размножении являются точными копиями материнских. Совокупность особей, произошедших от единого предка при бесполом размножении, называется клонами. Клонирование – бесполое размножение с помощью самотических клеток.

При половом размножении потомство имеет двух родителей. Каждый из организмов родителей производит гаметы. Женский организм производит яйцеклетки, мужской – сперматозоиды. Половые клетки созревают в половых железах. В каждой железе есть три зоны:

1. Зона размножения – интенсивно размножаются первичные, диплоидные половые клетки. Число их увеличивается путем митоза.

2. Зона роста – половые клетки не делятся, а растут, достигая размеров свойственных виду.

3. Зона созревания – в этой зоне образуются гаплоидные яйцеклетки и сперматозоиды. Здесь происходит мейоз.

Мейоз – это специфическое деление клеток, при котором происходит редукция, или уменьшение числа хромосом. Мейоз состоит из двух делений: перед первым происходит удвоение ДНК, а перед вторым – не происходит.

При первом делении хромосомы удваиваются и состоят из двух хроматид. В профазе они спирализуются, приобретая характерную форму и размер. Гомологичные пары скручиваются друг с другом – конъюгация. Затем происходит обмен участками хромосом (генами) – это кроссинговер. После этого гомологичные хромосомы расходятся, образуется веретено деления и наступает метафаза. Хромосомы располагаются в плоскости экватора. В анафазе к полюсам отходят не половинки хромосом, а целые хромосомы, состоящие из двух хроматид, поэтому в дочернюю клетку попадает одна из каждой пары гомологичных хромосом. Наступает второе деление мейоза. Ему не предшествует синтез ДНК, поэтому в дочерней клетке после всех четырех фаз оказывается по одной дочерней хромосоме, несущей новые признаки.

Итак, известны две формы размножения – бесполое и половое.

Бесполое – участвует одна особь, исходные клетки – одна или несколько сомотических неполовых. Основной механизм деления – митоз, потомки являются точными копиями родителей. Значение для эволюции состоит в том, что митоз способствует сохранению наибольшей приспособленности в неменяющихся условиях среды. Усиливает стабилизирующую роль естественного отбора. Характерно для простейших, одноклеточных водорослей, некоторых растений. Бесполое размножение различается по способам:

1. деление клетки надвое;

2. множественное деление клетки;

3. неравномерное деление клетки;

4. спорообразование;

5. вегетативное - у растений и животных.

Половое размножение – участвуют две особи, исходные клетки – гаметы, механизм деления – мейоз, генетическая информация потомков формируется из двух разных источников, т.е. гамет родительских организмов, что способствует эволюции генетической информации особей вида, освоению различных условий обитания. Способы полового размножения:

1. конъюгация – частичный обмен генетической информацией через цитоплазматические мостики;

2. партеногенез – женские гаметы превращаются в зародыш без оплодотворения;

3. гиногенез – сперматозоиды погибают, проникнув в яйцеклетку, и она после этого развивается в зародыш;

4. андогенез – развитие зародыша происходит за счет материала сперматозоида, ядро яйцеклетки погибает.

Это способы полового размножения без оплодотворения, но есть способы - с оплодотворением.

Онтогенез

Это процесс индивидуального развития особи от появления её к жизни и до окончания.

Онтогенез одноклеточных заключается в пополнении полного набора органелл до исходного состояния, разрушениеи органелл материнского организма и замены их на вновь образовавшиеся. У многоклеточных онтогенез более сложный, он включает: зародышевый, или эмбриональный, и постэмбриональный периоды, в котором различают стадии взрослого организма, старение и смерть. При половом размножении онтогенез начинается с образования зиготы, которая образуется в результате слияния двух гамет при этом восстанавливается двойной набор хромосом.

Эмбриональное развитие

1. Дробление – из зиготы образуются два, четыре и т.д. бластомера. Размер бластулы равен размеру зиготы.

2. Гаструляция – число клеток достигает нескольких сотен и даже тысяч. Клетки подвижны, перемещаются относительно друг друга, образуют пласты клеток, в результате чего получаются зародышевые листки. Зародыш становится трехслойным. Наружный листок – эктодерма, срединный – мезодерма, внутренний – энтодерма. Размер гаструлы равен размеры зиготы.

3. Гисто- и органогенез – у позвоночных начинается с образования зачатка нервной системы – нейрулы. Органы и ткани формируются из определенных частей зародыша.

Из эктодермы образуются покровы тела, кожные железы, поверхностный слой зубов.

Из энтодермы – эпителий средней кишки, дыхательная система, пищеварительные железы.

Из мезодермы – соединительные ткани, мышечная и кровеносная системы, каналы выделительных органов, часть тканей половых органов.

Первый этап дифференцировки определяется цитоплазмой зиготы, т.к. бластомеры не одинаковы по составу цитоплазм. По мере развития организма усиливаются связи между клетками. В отличие от тканей органы всегда развиваются из взаимодействующих клеток, как правило, из двух или из всех зародышевых листков.

Постэмбриональное развитие

Стадия взрослого организма. На этом этапе все микроорганизмы имеют различия. Различают прямое постэмбриональное развитие и непрямое.

Прямое характерно для животных: млекопитающих, птиц, рыб, пресмыкающихся. Из личиночных оболочек, или из тела матери выходит организм небольших размеров, но в нем заложены все основные органы, свойственные животному. Онтогенез сводится к росту и половому созреванию

Непрямое развитие: из яйца выходит личинка, которая имеет более простое строение, чем организм. Особые личиночные органы в последствии разрушаются и заменяются органами, свойственными взрослым организмам. При непрямом развитии различают полное и неполное. Чешуекрылые, прямокрылые – полное, двукрылые – неполное.

Старение и смерть

По мере взросления наблюдаются закономерные возрастные изменения, которые снижают адаптационные механизмы организма. Процесс старения затрагивает все уровни организации живого, например, на молекулярном уровне – накапливаются изменения ДНК, нарушается синтез белков, вместо L-аминокислот появляются D-аминокислоты, нарушается энергетический обмен.

Экологические факторы, воздействующие на организм

Экология – это наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и окружающей средой.

Особи одного вида образуют популяции, которые населяют определенную территорию. Популяции разных видов образуют сообщества. Сообщества взаимодействуют с неживой природой и образуют экосистему. Эти группы относятся к трем разным уровням организации природы. Популяции состоят из разных по возрасту, полу, по степени родства, генотипу и фенотипу особей. От состава популяции зависит размещение особей в пространстве и динамика популяции. Сообщества составляют популяции, состоящие из нескольких тысяч особей. Все эти виды, существующие в природе, объединяются в экосистему, которая постоянно получает энергию световых лучей.

Основные экологические структуры

1. Биоценоз – это совокупность организмов, населяющих относительно однородный участок. Характеризуется определенными взаимоотношениями между организмами, биомассой, приспособленностью, биологической продуктивностью. Закономерности выражаются в увеличении видового разнообразия, усложнении цепей питания, усилении взаимовыгодных связей.

2. Агроценоз – это биоценоз на землях сельскохозяйственного землепользования. Отличается от биоценоза меньшим видовым разнообразием, меньшей устойчивостью к конкурентам.

3. Агроэкосистема – спланированная территория для получения сельскохозяйственной продукции и для возврата ее составляющих на поля.

4. Биогеоценоз – совокупность однородных природных элементов на определенном участке земли. Самая крупная экосистема – биосфера – это область системного взаимодействия живого и косвенного вещества на планете. Характеризуется наличием круговорота веществ, защищена озоновым экраном от ультрофиолетового воздействия солнца. В биосферу входят: литосфера, атмосфера и гидросфера.

5. Биотоп – наиболее крупные сообщества с определенным климатом, растительным и животным миром.

Все, что окружает особь и воздействует на нее, называется средой. Любой компонент среды, в той или иной степени оказывающий воздействие на организм, называется экологическим фактором. Они бывают:

- абиогенные – факторы неживой природы;

- биотические – взаимное суммарное воздействие живых организмов друг на друга. Различают непосредственное воздействие и опосредованное;

- анотропогенные – влияние человека на среду. Такое действие биологического вида нельзя назвать биотическим, т.к. в процессе жизнедеятельности человек создает новые абиотические факторы.

Все факторы делятся на условия и ресурсы. Условия – это факторы, воздействие которых на организм не зависит от их потребления другими организмами. Ресурсы – организм их потребляет, снижая тем самым доступность другим организмам. Отсюда возникают экологические ниши: чтобы выжить каждый организм изобретает свой способ пропитания и создает экологическую нишу.

Ресурсы бывают: экологические, биологические, природные, антропо-экологические, генетические, факторы экологического равновесия, продовольственные. Если фактор в конкретной ситуации влияет на численность, то его называют регулирующим. Это может быть как условие, так и ресурс.

Генетика микроорганизмов

1. Наследственность: основные положения хромосомной теории наследственности

2. Основные методы генетики

3. Изменчивость. Комбинативная изменчивость

4. Мутационная изменчивость: основные положения теории

5. Модификационная изменчивость

6. Характеристика основных животных и растительных тканей.

7. Органы.

VII. Органы.

Боле крупные функциональные единицы, в которые объединяются различные ткани, это органы. В любом живом организме функционирует множество органов. К органам относятся, например, селезенка, желудок, тимус, почки, печень, икроножная мышца, берцовая кость, матка и т.д. Нельзя назвать органами анатомические образования, например, руку, в которой присутствуют несколько органов (сосуды, кости, мышцы и др.). Несколько органов, деятельность которых направлена на выполнение одной задачи, называют системой (дыхательная, сердечно-сосудистая, пищеварительная и др.) Все системы в здоровом организме функционируют взаимосвязано, а координирует важнейшие жизненные процессы нервная и гуморальная системы. Нервная система посредством рефлексов, т.е. реакций на воздействие внешних и внутренних раздражителей, а гуморальная – через носителей информации (различные биологически активные вещества), которые предаются по крови, лимфе, тканевой жидкости. В целом, взаимодействие органов животного организма (нейрогуморальная регуляция) направлено на поддержание гомеостаза.

Гомеостаз – это особенность организмов высших животных, а именно: постоянство химического состава и физико-химических свойств внутренней среды. Выражением гомеостаза является наличие ряда биологических констант, т.е. показателей, характеризующих нормальное состояние организма.

Таким образом, система включает несколько органов, деятельность которых направлена на выполнение одной задачи.