Современные проблемы биологии
Вопросы к докладу: Экология организмов и механизмы адаптаций к различным условиям Элементарные явления и регуляторные механизмы на различных уровнях организации жизни Молекулярно-генетическая характеристика автономных генетических элементов (ретротранспозоны, митохондрии)
Экология организмов и механизмы адаптаций к различным условиям Экология наука о взаимодействии живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой. Термин впервые предложил немецкий биолог Эрнст Геккель в 1886 году в книге «Общая морфология организмов» ( «Generelle Morphologie der Organismen» ).
Аутэкология АУТЭКОЛОГИЯ - раздел экологии, изучающий влияние факторов окружающей среды на отдельные организмы, популяции и виды (растений, животных, грибов, бактерий). Задача аутэкологии - выявление физиологических, морфологических и прочих приспособлений (адаптаций) видов к различным экологическим условиям: режиму увлажнения, высоким и низким температурам, засолению почвы (для растений). В последние годы у аутэкологии появилась новая задача - изучение механизмов реагирования организмов на различные варианты химического и физического загрязнения (включая радиоактивное загрязнение) среды. Теоретическая основа аутэкологии - ее законы.
Первый закон аутэкологии - закон оптимума: по любому экологическому фактору любой организм имеет определенные пределы распространения (пределы толерантности). Как правило, в центре ряда значений фактора, ограниченного пределами толерантности, лежит область наиболее благоприятных условий жизни организма, при которых формируется самая большая биомасса и высокая плотность популяции. Напротив, у границ толерантности расположены зоны угнетения организмов, когда падает плотность их популяций и виды становятся наиболее уязвимыми к действию неблагоприятных экологических факторов, включая и влияние человека.
Второй закон аутэкологии - индивидуальность экологии видов: каждый вид по каждому экологическому фактору распределен по-своему, кривые распределений разных видов перекрываются, но их оптимумы различаются. По этой причине при изменении условий среды в пространстве (например, от сухой вершины холма к влажному логу) или во времени (при пересыхании озера, при усилении выпаса, при зарастании скал) состав экосистем изменяется постепенно. Известный российский эколог Л. Г. Раменский сформулировал этот закон образно: «Виды - это не рота солдат, марширующих в ногу» .
Третий закон аутэкологии - закон лимитирующих (ограничивающих) факторов: наиболее важным для распределения вида является тот фактор, значения которого находятся в минимуме или максимуме. Например, в степной зоне лимитирующим фактором развития растений является увлажнение (значение находится в минимуме) или засоление почвы (значение находится в максимуме), а в лесной - ее обеспеченность питательными элементами (значения находятся в минимуме). Законы аутэкологии широко используются в сельскохозяйственной практике, например, при выборе сортов растений и пород животных, которые наиболее целесообразно выращивать или разводить в конкретном районе (см. адаптивный подход).
Механизм адаптации Адаптация – это совокупность морфо-физиологических и биохимических особенностей организма, позволяющим ему существовать в неблагоприятных и даже экстремальных условиях среды. Адаптация начинает развиваться на фоне генерализованной ориентировочной реакции, активации неспецифического, а также специфического ответа на причинный фактор. В последующем формируются временные и функциональные системы, обеспечивающие организму либо «уход» от действующего чрезвычайного агента, либо преодоление патогенных его эффектов, либо оптимальный уровень жизнедеятельности, несмотря на продолжающееся влияние этого агента, т. е. собственно адаптацию.
Элементарные явления и регуляторные механизмы на различных уровнях организации жизни В организации жизни в основном различают следующие уровни: Молекулярный Клеточный Тканевой Органный Организменный Популяционный Видовой Биосферный (глобальный)
Молекулярный уровень Этот уровень является глубинным в организации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов, и стероидов, находящихся в клетках и, как уже отмечено, получивших название биологических молекул. Размеры биологических молекул характеризуются довольно значительным разнообразием, которое определяется занимаемым ими пространством в живой материи. Самыми малыми биологическими молекулами являются нуклеотиды, аминокислоты и сахара. Напротив, белковые молекулы характеризуются значительно большими размерами. Например, диаметр молекулы гемоглобина человека составляет 6, 5 нм. На этом уровне начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности (кодирование и передача наследственной информации, дыхание, обмен веществ и энергии, изменчивость и др. ). Физикохимическая специфика этого уровня заключается в том, что в состав живого входит большое количество химических элементов, но основной элементарный состав живого представлен углеродом, кислородом, водородом, азотом.
Клеточный уровень Этот уровень организации живого представлен клетками, действующими в качестве самостоятельных организмов (бактерии, простейшие и другие), а также клетками многоклеточных организмов. Главнейшая специфическая черта этого уровня заключается в том, что с него начинается жизнь. Будучи способными к жизни, росту и размножению, клетки являются основной формой организации живой материи, элементарными единицами, из которых построены все живые существа (прокариоты и эукариоты). Между клетками растений и животных нет принципиальных различий по структуре и функциям. Некоторые различия касаются лишь строения их мембран и отдельных органелл. Заметные различия в строении есть между клетками-прокариотами и клетками организмов-эукариотов, но в функциональном плане эти различия нивелируются, ибо везде действует правило «клетка от клетки» . Надмолекулярные структуры на этом уровне формируют мембранные системы и органеллы клеток (ядра, митохондрии и др. ). Специфичность клеточного уровня определяется специализацией клеток, существованием клеток в качестве специализированных единиц многоклеточного организма. На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности в пространстве и во времени, что связано с приуроченностью функций к разным субклеточным структурам. Например, у клеток эукариотов значительно развиты мембранные системы (плазматическая мембрана, цитоплазматическая сеть, пластинчатый комплекс) и клеточные органеллы (ядро, хромосомы, центриоли, митохондрии, пластиды, лизосомы, рибосомы).
Тканевой уровень Представлен тканями, объединяющими клетки определенного строения, размеров, расположения и сходных функций. Ткани возникли в ходе исторического развития вместе с многоклеточностью. У многоклеточных организмов они образуются в процессе онтогенеза как следствие дифференциации клеток. У животных различают несколько типов тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная, а также кровь и лимфа). У растений различают меристематическую, защитную, основную и проводящую ткани. На этом уровне происходит специализация клеток.
Органный уровень. Представлен органами организмов. У простейших пищеварение, дыхание, циркуляция веществ, выделение, передвижение и размножение осуществляются за счет различных органелл. У более совершенных организмов имеются системы органов. У растений и животных органы формируются за счет разного количества тканей. Для позвоночных характерна цефализация, защищающаяся в сосредоточении важнейших центров и органов чувств в голове.
Организменный уровень Этот уровень представлен самими организмами — одноклеточными и многоклеточными организмами растительной и животной природы. Специфическая особенность организменного уровня заключается в том, что на этом уровне происходит декодирование и реализация генетической информации, создание структурных и функциональных особенностей, присущих организмам данного вида. Организмы уникальны в природе, потому что уникален их генетический материал, детерминирующий развитие, функции и взаимоотношение их с окружающей средой.
Популяционный уровень Растения и животные не существуют изолированно; они объединены в популяции. Создавая надорганизменную систему, популяции характеризуются определенным генофондом и определенным местом обитания. В популяциях начинаются и элементарные эволюционные преобразования, происходит выработка адаптивной формы.
Видовой уровень Этот уровень определяется видами растений, животных и микроорганизмов, существующими в природе в качестве живых звеньев. Популяционный состав видов чрезвычайно разнообразен. В составе одного вида может быть от одной до многих тысяч популяций, представители которых характеризуются самым различным местообитанием и занимают разные экологические ниши. Виды представляют собой результат эволюции и характеризуются сменяемостью. Ныне существующие виды не похожи на виды, существовавшие в прошлом. Вид является также единицей классификации живых существ. Биоценотический уровень. Представлен биоценозами — сообществами организмов разной видовой принадлежности. В таких сообществах организмы разных видов в той или иной мере зависят один от другого. В ходе исторического развития сложились биогеоценозы (экосистемы), которые представляют собой системы, состоящие из взаимозависимых сообществ организмов и абиотических факторов среды. Экосистемам присуще динамическое (подвижное) равновесие между организмами и абиотическими факторами. На этом уровне осуществляются вещественно-энергетические круговороты, связанные с жизнедеятельностью организмов.
Биосферный(глобальный) уровень Этот уровень является высшей формой организации живого (живых систем). Он представлен биосферой. На этом уровне осуществляется объединение всех вещественно-энергетических круговоротов в единый гигантский биосферный круговорот веществ и энергии. Между разными уровнями организации живого существует диалектическое единство, живое организовано по типу системной организации, основу которой составляет иерархичность систем. Переход от одного уровня к другому связан с сохранением функциональных механизмов, действующих на предшествующих уровнях, и сопровождается появлением структуры и функций новых типов, а также взаимодействия, характеризующегося новыми особенностями, т. е. связан с появлением нового качества.
Молекулярно-генетическая характеристика автономных генетических элементов (ретротранспозоны, митохондрии). Ретротранспозоны — это мобильные генетические элементы, которые применяют метод «копировать и вставить» для распространения в геноме животных. По крайней мере 45 % генома человека составляют ретротранспозоны и их производные. Процесс передвижения включает промежуточную стадию молекулы РНК, которая считывается с участка ретротранспозона и которая затем, в свою очередь, используется как матрица для обратной транскрипции в последовательность ДНК. Новосинтезированный ретротранспозон встраивается в другой участок генома. Активные ретротранспозоны млекопитающих делятся на три основные семьи: Alu-повторы, ДДП-1, SVA. Структура ДДП-1 ретротранспозона. ДДП-1 ретротранспозоны — длинные диспергированные повторы — тип ретротранспозонов, который широко распространён у млекопитающих и составляет до 20 % генома. ДДП-1 элементы имеют длину около 6 тысяч пар оснований. Большинство этих ретротранспозонов в геноме представлено неполно, хотя существует примерно 150 полных и потенциально мобильных ДДП-1 элементов в последовательности ДНК человека и примерно 3000 — у мыши. Процесс передвижения начинается со считывания молекулы РНК с элемента ДДП-1. РНК транспортируется к цитоплазме, где от неё транслируются белки БОРС 1 (который является РНКсвязывающим белком) и БОРС 2 (который является белком с эндонуклеазной и возвратнотранскриптазной активностями). БОРС 1, БОРС 2 и РНК транспозона формируют рибонуклеопротеин и импортируются в ядро, где происходит обратная транскрипция ретротранспозона. Большинство случаев вставки ДДП-1 элементов происходит не до конца, и такие копии больше не способны к самостоятельной мобилизации.
Существуют сведения о неканонических функциях ДДП-1 элементов во время инактивации Xхромосомы. ДКП — длинные концевые повторы — ретротранспозоны, имеющие конечные повторяющиеся последовательности, которые играют важную роль в транскрипции и обратной транскрипции РНК транспозона. ДКП-элементы кодируют белки pol и gag, которые близки к белкам ретровирусов, но, в отличие от последних, ДКП не хватает белков, которые смогли бы сформировать внешнюю оболочку (суперкапсид) и выйти из клетки. КДП — короткие диспергированные повторы являются неавтономными ретротранспозонами: они требуют активности ДДП-1 элементов для передвижения, в ДНК-последовательности КДП содержат только участок связывания РНК-полимеразы. В число КДП входят Aluретротранспозоны. Структура Alu-ретротранспозона. Alu-повтор (Alu от Arthrobacter luteus) — широко распространённые мобильные элементы в геноме человека. Alu-элементы имеют длину около 300 пар оснований и часто расположены в интронах, участках генома, которые не транслируются, и межгенных участках. Приставку Alu- ретротранспозоны получили за то, что они содержат последовательность распознавания рестрикционного энзима Alu. I. Анализ последовательностей показал, что Alu-элементы возникли у приматов примерно 65 миллионов лет назад от гена 7 SL РНК, который входит в рибосомный комплекс. Alu-ретротранспозоны не имеют собственной обратной транскриптазы, поэтому для передвижения им необходимые ферменты ДДП-1 элементов. Alu-элементы являются участками, где происходит до 90 % всех случаев A-I редактирования РНК.
SVA — мобильные элементы длиной в 2 -3 тысячи пар оснований ДНК, состоящие из нескольких частей: коротких разбросанных элементов (КДП), вариабельного числа тандемных повторов (ВЧТП), Alu-последовательности и CT-повтора, с последовательностью CCCTCT, которая встречается чаще всего и имеет название гексамер (Hex). SVA элементы значительно варьируют в длину из-за разного количества составляющих повторов. Они не являются автономными и нуждаются в белках, закодированных в ДДП 1 ретротранспозонах для передвижения, но они активны в геноме человека. SVA-элементы претерпевают высокий уровень метилирования ДНК в большинстве тканей человека. Интересным фактом является заниженное метилирование ДНК SVA-ретротранспозонов в мужских половых клетках человека, тогда как у шимпанзе SVA-последовательности сперматозоидов высоко метилированы.
Структура
Митохондрии Митохондрия – двумембранный полуавтономный органоид, осуществляющий синтез АТФ. Форма митохондрий разнообразна, они могут быть палочковидными, нитевидными или шаровидными. Стенки митохондрий образованы двумя мембранами: внешней и внутренней. Внешняя мембрана - гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки - кристы. Во внутренней мембране встроены многочисленные ферментные комплексы, которые осуществляют синтез АТФ. Митохондрии называют полуавтономными органоидами. Это означает, что они зависят от клетки, но в то же время сохраняют некоторую самостоятельность. Так, например, митохондрии сами синтезируют собственные белки, в том числе и ферменты своих ферментных комплексов. Кроме того, митохондрии могут размножаться путем деления независимо от деления клетки.
Спасибо за внимание
Источники https: //ru. wikipedia. org/wiki/Экология www. ecoanaliz. ru http: //arsob. narod. ru/gosbio 54. html http: //vmede. org/sait/? id=Gigiena_ecologiya_grigoreva_2008&menu=Gigiena_ecologiya_grigor eva_2008&page=4 http: //neuronews. com. ua/
Скачать презентацию Современные проблемы биологии Вопросы к докладу Экология
Майоров Билет 1.pptx