Тольяттинский государственный университет сервиса Институт экологии Волжского бассейна РАН Биологические концепции описания природы к. б. н. , доц. О. В. Савенко к. б. н. , доц. В. М. Васюков
Биология (от греч. «биос» – жизнь, «логос» – учение) – наука о живой природе. В настоящее время на Земле описано около 3 млн. видов живых организмов (более 100 тыс. видов грибов, около 500 тыс. видов растений и более 2 млн. видов животных). По изучаемым объектам биологию подразделяют: микробиологию, ботанику, зоологию. Они включают частные дисциплины: систематику (изучает разнообразие и родство разных групп живых организмов), морфологию (исследует внешнее строение органов и их видоизменения), анатомию (изучает внутренне строение), физиологию (изучает процессы, протекающие в живых организмах). Генетика – наука о наследственности и изменчивости. Экология (от греч. «ойкос» – дом, жилище, местообитание) – наука о взаимоотношения живых 2 организмов между собой и со средой их обитания.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ. СВОЙСТВА И УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО Уровни организации живой материи 1. Молекулярный (молекулярно-генетический). 2. Субклеточный (надмолекулярный). 3. Клеточный. 4. Органно-тканевой. 5. Организменный (онтогенетический). 6. Популяционно-видовой. Популяция – совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. 7. Биоценотический. Биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории. 8. Биогеоценотический. Биогеоценоз – совокупность биоценоза и абиотических факторов среды обитания (климат, почва). 9. Биосферный. Биосфера – оболочка Земли, преобразованная 3 деятельностью живых организмов.
Свойства живых систем «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот» (М. В. Волькенштейн). 1. Определенный химический состав. Макроэлементы – С, О, N, Н (98% состава живых организмов), Микроэлементы – Са, К, Мg, Р, S, Nа, Сl, Fе (в сумме около 1– 2%), Ультрамикроэлементы – Mn, Со, Zn, Сu, В, I, F и др. (около 0, 1 %). Химические элементы, которые входят в состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называются биогенными. Важнейшие неорганические вещества в клетке: вода (75– 85 % от сырой массы живых организмов), минеральные соли: H+, K+, Ca 2+, Mg 2+, HPO 42–, Cl–, HCO 32– (1– 1, 5 %). 4
Важнейшие органические вещества: углеводы: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза, лактоза, сахароза, гликоген, крахмал, целлюлоза, хитин (0, 2– 2, 0 %), липиды: жиры (эфиры глицерина и высокомолекулярных жирных кислот), воска, стеролы. (1– 5 %), белки: полимеры, состоящие из 20 аминокислот (10– 15 %), нуклеиновые кислоты: моно или полинуклеотиды (1– 2 %) АТФ, ДНК, РНК. Мононуклеотид состоит из азотистого основания (пурунового: аденин – А, гуанин – Г или пиримидинового: цитозин – Ц, тимин – Т, урацил – У), пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы) и остатков фосфорной кислоты. Строение ДНК расшифровали Дж. Уотсон и Ф. Крик. ДНК содержит А, Г, Т, Ц, дезоксирибозу и Н 3 РО 4. РНК содержит А, Г, У (вместо Т), Ц, рибозу и Н 3 РО 4. ДНК большинства живых организмов (кроме вирусов) состоят из двух антипараллельно направленных полинуклеотидных цепей, связанных водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности: А=Т, Г≡Ц. Все молекулы РНК являются копиями определенных участков ДНК. Выделяют три вида РНК: и. РНК (м. РНК) – матрица для синтеза молекул белка; р. РНК – составляет 50% субъединиц рибосом (50% белок); т. РНК – транспортируют аминокислоты к месту сборки полипептида (к рибосомам). 5
2. Клеточное строение. Все живые организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение. Эукариотическая клетка состоит из трех компонентов: оболочки, цитоплазмы и ядра. Органоиды не имеющим мембранного строения: - рибосомы, - микротрубочки, - клеточный центр. Мембранные органоиды с одинарной мембраной: - лизосомы; - комплекс Гольджи, - ЭПС, с двумя мембранами: - митохондрии, - пластиды. 6
Ядро эукариотических клеток содержит хромосомы. Хромосомы – молекулами ДНК в комплексе с белками. В половых клетках одинарный набор хромосом – гаплоидный (n), в соматических клетках двойной набор хромосом - диплоидный (2 n). Диплоидный набор хромосом конкретного вида живых организмов, характеризующийся числом, величиной и формой хромосом, называется кариотипом. Кариотип человека представлен 46 хромосомами (23 пары): 44 аутосомы и 2 половые хромосомы (у женщины ХX, у мужчины – ХY). Пол, который образуют гаметы одинаковые по половой хромосоме, называют гомогаметным, а пол образующий разные гаметы – гетерогаметным. 7
Существует несколько типов деления клеток: Митоз – универсальный способ деления эукариотических клеток, состоящий из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы. При митозе образуются две дочерние клетки с наследственной информацией, идентичной материнской клетке. Амитоз – прямое деление ядра на две б. м. равные части, но дочерние клетки получают наборы неидентичные материнскому (деление стареющих и патологически измененных клеток, а также характерен для эпителия). Мейоз – способ деления клеток, приводящий к уменьшению числа хромосом вдвое. Центральное звено гаметогенеза у животных и спорогенеза у растений. Из одной клетки с диплоидным набором хромосом (1 n 4 с) образуются 4 клетки с гаплоидным набором хромосом (nс). Мейоз 8
3. Обмен веществ (метаболизм) и энергозависимость. Живые организмы – открытые системы, они зависят от поступления в них из внешней среды веществ и энергии. Живые существа по источнику получения энергии делятся на две группы: - фототрофы – организмы, использующие для биосинтеза световую энергию (растения, цианобактерии); - хемотрофы – организмы, использующие для биосинтеза энергию химических реакций окисления неорганических соединений (нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии и др. ). Живые существа по источнику углерода делят на: - автотрофы – организмы , способные создавать органические вещества из неорганических (растения, цианобактерии); - гетеротрофы – организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения (животные, грибы и большинство бактерий); Миксотрофы – организмы, которые могут как синтезировать органические вещества из неорганических, так и питаться готовыми органическими соединениями (насекомоядные растения, эвгленовые водоросли и др. ). 9
Выделяют две составные части метаболизма – катаболизм и анаболизм. Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) – совокупность реакций расщепления сложных органических веществ, идущие обычно с высвобождением энергии. Энергия запасается, как правило, в форме – аденозинтрифосфата (АТФ). Катаболизм делится на несколько этапов: 1) подготовительный этап (расщепление сложных углеводов до простых – глюкозы, жиров до жирных кислот и глицерина, белков до аминокислот); 2) бескислородный этап – гликолиз, в образуется 2 АТФ (из 1 моль глюкозы). У анаэробов или у аэробов при его недостатке кислорода протекает брожение. 3) кислородный этап – дыхание – полное окисление глюкозы осуществляется в митохондриях эукариот в присутствии кислорода; в итоге образуется 36 АТФ (из 1 моль глюкозы). Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) – совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых. Наиболее важным метаболическим процессом пластического обмена является фотосинтез – синтез органических соединений из неорганических за счет энергии света. Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все реакции синтеза нуждаются в энергии, а реакции расщепления протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции. 10
4. Саморегуляция (гомеостаз) – поддержание постоянства своего химического состава и интенсивности обменных процессов. 5. Раздражимость – способность отвечать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями. Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется с участием нервной системы – рефлекс. Реакция на раздражение у простейших животных называется – таксис, выражающийся в изменении характера и направления движения. Реакция на раздражение у растений – тропиз, выражающийся в определенный характер роста. 6. Наследственность. Живые организмы способны передавать неизменными признаки и свойства из поколения в поколение с помощью носителей информации – молекул ДНК и РНК. 7. Изменчивость. Живые организмы способны приобретать новые признаки и свойства. Изменчивость создает разнообразный исходный материал для естественного отбора. 11
8. Самовоспроизведение (размножение). Живые организмы способны размножаться – воспроизводить себе подобных. Благодаря размножению осуществляются смена и преемственность поколений. Принято различать два основных типа размножения: - Бесполое размножение (участвует одна особь) наиболее широко распространено среди прокариот, грибов и растений, но встречаются и у различных видов животных. Основные формы бесполого размножения: деление, спорообразование, почкование, фрагментация, вегетативное размножение и клонирование (клон – генетическая копия одной особи). - Половое размножение (обычно осуществляется двумя особями) характерно для подавляющего большинства живых организмов и имеет огромное биол. значение. Половое размножение осуществляется с помощью специализированных половых клеток – гамет, с вдвое меньшим числом хромосом, чем соматические клетки. Женские гаметы яйцеклетки, мужские – сперматозоиды. Для некоторых групп организмов характерны нерегулярные типы полового размножения: партеногенез (развитие зародыша из неоплодотворенной яйцеклетки – пчелы, муравьи, термиты, тля, дафнии), апомиксис (развитие зародыша из клеток зародышевого мешка или неоплодотворенной яйцеклетки у цветковых растений) и др. 12
9. Индивидуальное развитие (онтогенез) – индивидуальное развитие организма от зарождения до конца жизни (смерти или нового деления). 10. Эволюционное развитие (филогенез). Живой материи в целом свойственен филогенез – историческое развитие жизни на Земле с момента ее появления до настоящего времени. 11. Адаптации. Живые организмы способны адаптироваться (приспосабливаться) к условиям окружающей среды. 12. Ритмичность. Живые организмы проявляют ритмичность жизнедеятельности (суточную, сезонную и др. ). 13. Целостность и дискретность. С одной стороны, вся живая материя целостна, определенным образом организована и подчиняется общим законам; с другой стороны, любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и взаимосвязанных элементов. 14. Иерархичность. Начиная от биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и заканчивая биосферой в целом, все живое находится в определенной соподчиненности. 15. Негэнтропийность. По выражению Э. Шредингера, «организм питается отрицательной энтропией» . Совершенствуясь и усложняясь, организмы вносят хаос в окружающий их мир. Теория эволюции не противоречит II закону термодинамики. 13
ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ Генетика – наука, изучающая наследственность и изменчивость живых организмов. Наследственность – способность организмов передавать особенности строения, функции, развития своему потомству. Наследственность обеспечивает преемственность между поколениями и обусловливает существование видов. Первичным носителем генетической информации практически у всех организмов являются ДНК. Прокариоты и многие вирусы содержат одну молекулу ДНК. В эукариотических клетках генетический материал распределен в нескольких хромосомах, состоящих из одной молекулы ДНК. Единица наследственной информации – ген, ответственный за формирование какого либо элементарного признака. Ген – это участок ДНК (реже РНК), кодирующий синтез одной макромолекулы: полипептида, р. РНК или т. РНК. Гены находятся в определенных участках хромосом – локусах. Гены в одинаковых локусах гомологичных хромосом и отвечающие за развитие вариантов какого либо признака, называют аллельными генами. Их принято обозначать буквами латинского алфавита. Аллельные гены могут быть доминантными или преобладающими (А, В) или рецессивными или подавляемыми (a, b). Доминантным называют аллель, обеспечивающий развитие признака как в гомозиготном – АА, так и в гетерозиготном состоянии – Аа. Рецессивный аллель, проявляющийся только в гомозиготном состоянии аа. Разные 14 аллельные формы генов возникают в результате мутации.
Генόм – совокупность генов гаплоидного набора хромосом Фенотип – совокупность всех признаков и свойств организма. Генотип – совокупность всех генов организма. Генофонд – совокупность генов популяции. Кариотип – совокупность морфологических признаков хромосом вида (размер, форма, детали строения, число и т. д. ). Плазмон – информация внеядерных ДНК (митохондрии, пластиды). Фенотип формируется в процессе реализации наследственной информации генотипа под воздействием факторов окружающей среды. В живой природе в пределах одного вида практически не встречаются совершенно идентичные особи. Эта изменчивость хорошо видна в пределах вида Homo sapiens – Человек разумный, каждый представитель которого имеет свои индивидуальные особенности. Изменчивость – свойство живых организмов, противоположное наследственности. 15
Основные генетические процессы. Биосинтез белка Процесс реализации генетической информации в клетках от ДНК через различные виды РНК к полипептидам и белкам называют экспрессией (проявлением) генов. • Репликация ДНК – удвоение ДНК, происходящее перед делением клеток и размножением ДНК-вирусов. Синтез макромолекул ДНК, а также РНК и белков происходит по типу матричного процесса, т. е. новые молекулы синтезируется в точном соответствии с химической структурой уже существующих молекул. • Репарация ДНК – способность молекул ДНК к самовосстановлению, «исправлению» возникающих в ее цепях изменений. • Биосинтез белка – система сложных и последовательных реакций образования полипептидов, в котором участвуют молекулы ДНК, все типы РНК, АТФ, ферменты, аминокислоты. Процесс состоит из нескольких этапов. - Транскрипция – синтез РНК на ДНК, т. е. переписывание информации, хранящейся в молекуле ДНК. Синтез и. РНК состоит из фазы инициации, элонгации и терминации. Образующаяся «сырая» и. РНК состоит из экзонов (кодирующих участков) и интронов (некодирующих участков). Далее процесс созревания и. РНК подразумевает удаление из нее интронов – процессинг и сшивку экзонов – сплайсинг. - Трансляция – процесс перевода генетической информации и. РНК в последовательность аминокислот в полипептиде. Процесс осуществляется в рибосомах на и. РНК с участием т. РНК. 16
ДНК и-РНК 17
В состав белков входит 20 аминокислот, их кодируют четыре вида нуклеотидов РНК (аденин А, гуанин Г, цитозин Ц, урацил У) по три. 1 аминокислоту кодируют 3 нуклеотида Три нуклеотида, образующих кодовый знак, называют триплетом. Например, ААА – лизин, АГА – аргинин, ГЦУ – аланин. Триплеты в молекуле и. РНК называют кодонами, а комплементарные им триплеты молекул т. РНК – антидодонами. Из 64 триплетов три не кодируют аминокислоты – это стоп сигналы (УАА, УАГ, УГА). 18
Многие аминокислоты кодируются более чем одним кодоном (АГУ, АГЦ, УЦУ и др. кодируют серин) в этом смысле код является вырожденным. Генетический код одинаков, т. е. универсален для всех живых организмов (вирусов, бактерий, грибов, растений, животных) – во всех группах он слагается из одних тex же нуклеотидов. Во всем органическом мире строго соблюдаются закономерности, называемые правила Чаграффа: 1. Сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых нуклеотидов: А + Г = Т + Ц 2. Содержание аденина равно содержанию тимина: А = Т 3. Содержание гуанина равно содержанию цитозина: Г = Ц 4. Суммы Г + Т и А + Ц равны, т. е. Г + Т = А + Ц 5. Содержание Г + Ц и А + Т может варьировать в довольно значительных пределах. 19
Основные законы генетики Первый закон Менделя (закон единообразия): при скрещивании гомозиготных особей, все гибриды первого поколения единообразны. Например, при скрещивании гороха с гладкими семенами АА и гороха с морщинистыми семенами аа, гибриды первого поколения оказываются все с гладкими семенами Аа. 20
Второй закон Менделя (закон расщепления): при моногибридном скрещивании гетерозиготных особей во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу 3: 1 и по генотипу 1: 2: 1. 21
Третий закон Менделя (закон независимого наследования): гены разных аллельных пар и соответствующие им признаки наследуются независимо. 22
Закон Моргана (закон сцепленного наследования): гены, локализованные в одной хромосоме наследуются сцеплено. Признаки, гены которых находятся в половых хромосомах, наследуются сцеплено с полом (гемофилия – несвертываемость крови, дальтонизм – неспособность различать красный и зеленый цвета и др. ). Анализ поведения генов свободно скрещива ющейся популяции характеризует закон Харди-Вайнберга: любая популяция, в которой распределены пары генов А и а, соответствует соотношению р2 + 2 pq + q 2, находится в генетическом равновесии (р2 – число гомозиготных особей по доминантному гену с гонотипом АА; q 2 – число гомозиготных особей по рецессивному гену с гонотипом аа; pq – число гетерозиготных особей). Доли этих генов в последующих поколениях будут оставаться постоянными, если их не изменит отбор, мутационный процесс или какая либо 23 случайность.
Изменчивость 1. Наследственная (генотипическая) изменчивость связана с изменениями генотипа и передаче их из поколения в поколение. Различают две формы наследственной изменчивости: комбинативную и мутационную. Комбинативная изменчивость связана с образованием у потомков сочетаний генов без изменения их молекулярной структуры, формирующихся при перекомбинации генов и хромосом в процессе полового развития (кроссинговер, независимое расхождение хромосом, случайное сочетание гамет при оплодотворении). Мутационная изменчивость связана с приобретением новых признаков в результате мутаций. Мутации – изменения наследственных свойств организма в результате перестроек и нарушений в генетическом материале организма (хромосомах и генах). Мутация – основа наследственной изменчивости в живой природе. Мутации индивидуальны, возникают внезапно, скачкообразно, ненаправленно, наследуются. По характеру изменения генотипа различают геномные (полиплоидия, анэуплоидия), хромосомные и генные мутации. Перекрест хромосом Болезнь Дауна (трисомия по 21 й хромосоме) 24
2. Ненаследственная (фенотипическая, модификационная) изменчивость связана с изменениями фенотипа под влиянием внешней среды на экспрессию генов. Генотип остается неизменным. Границы изменчивости признака, возникающей под действием факторов среды, определяется ее нормой реакции. Главные особенности: кратковременность (не передаются следующему поколению), групповой характер изменений, имеют приспособительный характер. 25
Генная инженерия и клонирование Генетическая (генная) инженерия – совокупность методов конструирования лабораторным путем (in vitro) генетических структур и наследственно измененных организмов, т. е. создание новых, не существующих в природе сочетаний генов. Рекомбинантные (чужеродные) ДНК привносят в реципиентный организм новые генетические и физико биохимические свойства. К числу таких свойств можно отнести синтез аминокислот и белков, гормонов, ферментов, витаминов и др. Возможна экспрессия генов, перенесенных не только от других растений, но и от микроорганизмов и даже животных. Получение организмов с новыми свойствами из трансформированных клеток (регенерация) возможно благодаря их свойству топитотентности способности отдельных клеток в процессе реализации генетической информации к развитию в целый организм. Клонирование – это воспроизведение живого существа из его неполовых (соматических) клеток. Клонирование органов и ней – важнейшая задача в различных областях медицины и биологии. Дальнейший прогресс человечества во многом связан с развитием биотехнологии. Вместе с тем необходимо учитывать, что неконтролируемое распространение генно инженерных живых организмов и продуктов может нарушить биологический баланс в природе и представлять угрозу здоровью человека. 26
По В. И. Вернадскому, в состав биосферы входят следующие основные типы веществ. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Живое вещество – живые организмы, населяющие нашу планету (масса живого вещества составляет лишь 0, 01% от массы всей биосферы). Косное вещество – неживые тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы). Биогенное вещество – неживые тела, образующиеся в результате деятельности живых организмов (некоторые осадочные породы: известняки, мел и др. , а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др. ). Биокосное вещество – неживые тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почвы, илы, кора выветривания и др. ). Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элементов – уран (238 U и 235 U), торий (232 Th), радий (226 Ra) и радон (222 Rn и 220 Rn), калий (40 K), рубидий (87 Rb), кальций (48 Са), углерод (14 С) и др. Рассеянные атомы – отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (в таком состоянии часто существуют атомы микро и ультрамикроэлементов: Mn, Со, Zn, Сu, Аu, Hg и др. ) Вещество космического происхождения – вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль). 27
Биосфера и ее структура Термин «биосфера» предложил Э. Зюсс. Учение о биосфере в 20 х гг. ХХ в. разработал В. И. Вернадский. Он впервые создал учение о геохимической роли живых организмов, показав, что их деятельность является главным фактором преобразования земной коры. По В. И. Вернадскому: биосфера – та область нашей планеты, в которой существует или когда -либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов. Современная жизнь распростране на в верхней части земной коры (литосфере до 7 км), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере до 20 25 км) и в водной оболочке Земли (гидросфере до 11 км). В. И. Вернадский указывал на «всюдность» жизни в биосфере. 28
Функции живого вещества биосферы Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества: 1. Энергетическая (биохимическая) – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. 2. Газовая – способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. 3. Концентрационная – «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. 4. Окислительно-восстановительная – окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов. 5. Деструктивная – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, как органических, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) – сапротрофные грибы и бактерии. 6. Транспортная – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. 7. Средообразующая – преобразование физико химических параметров среды. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры. 8. Рассеивающая – функция, противоположная концентрационной – рассеивание веществ в окружающей среде. 9. Информационная – накопление живыми организмами оп ределенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача 29 последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
Круговорот веществ в биосфере Геологический круговорот (большой круговорот веществ в природе) – круговорот веществ, движущей силой которого являются геологические процессы и протекает без участия живых организмов. Материки и океанические впадины, горы и равнины образовались за счет эндогенных процессов, а речные долины, холмы, овраги, барханы за счет экзогенных процессов. Биологический (биогеохимический) круговорот (малый круговорот веществ в биосфере) – основа самоподдержания жизни на Земле – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов и совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. 1) Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота). 2) Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др. ). Антропогенный круговорот (обмен) – круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. 30
Основные эволюционные учения К концу XVIII в. было описано много животных и растений, проводились попытки их систематизации. Значительный вклад в создание системы природы внес выдающийся шведский ученый К. Линней. Он ввел принцип двойного наименования вида в системе, например Человек разумный. Эволюционное учение Ламарка. По его мнению, эволюция идет на основании внутреннего стремления организмов к прогрессу. Причина многообразия живого воздействие различных факторов среды, причем реакции организма на воздействия среды носят целесообразный характер и передаются по наследству. Эти представления оказались ошибочными. Теория эволюции Дарвина. В 1858 г. Ч. Дарвин и независимо от него А. Р. Уоллес обосновали принцип естественного отбора и представление о борьбе за существование как механизме этого отбора. Естественный отбор – это выживание наиболее приспособленных и преимущественное оставление ими потомства. Дарвин указал на движущие силы эволюции: наследственная изменчивость, борьба за существование, естественный отбор; дал объяснение механизма видообразования. Теория эволюции основана на следующих положениях: 1. Для живого характерно наличие изменчивости, причем для эволюции громадное значение имеет наследственная изменчивость. 2. Следствием борьбы за существование является естественный отбор. Так, для организмов характерно размножение в геометрической прогрессии, но значительная 31 часть их гибнет в «борьбе за жизнь» , т. е. происходит элиминация особей, наименее соответствуют по признакам условиям среды
Синтетическая теория эволюции (СТЭ) возникла в конце XIX в. и представляет собой единение нескольких наук, первостепенными из них являются теория эволюции и генетика. Основные положения СТЭ следующие: 1. Материалом для эволюции служат дискретные изменения наследственности – мутации. 2. Основным движущим фактором эволюции является естественный отбор, основанный на отборе случайных и мелких мутаций. 3. Наименьшая эволюционирующая единица – популяция. 4. Эволюция носит дивергентный характер, т. е. один таксон может стать предком нескольких дочерних таксонов, но каждый вид имеет единственный предковый тип. 5. Эволюция носит постепенный и длительный характер. 6. Вид состоит из множества соподчиненных, морфологически, физиологически и генетически отличных, но репродуктивно не изолированных единиц – подвидов, популяций. 7. Обмен аллелями возможен лишь внутри вида. Вид – генетически целостная и замкнутая система. 8. Любой реальный, а не сборный таксон имеет однокорневое, 32 монофилитическое происхождение.
Микро- и макроэволюция Эволюционный процесс разделяют на два этапа: микроэволюцию – возникновение новых видов; макроэволюцию – эволюционные преобразования на надвидовом уровне. Процесс макроэволюции длится десятки и сотни миллионов лет, а микроэволюции тысячи тел. Результатом эволюции является образование из популяций новых видов. Выделяют два основных пути видообразования: 1) аллопатрическое или географическое видообразование, связанное с пространственной изоляцией различными преградами (реки, горы, почвы, климат и др. ); 2) симпатрическое видообразование осуществляется в пределах ареала исходного вида несколькими способами – путем попиплоидии, гибридизации, сезонной изоляции. Вид – совокупность особей, характеризующихся общим происхождением, наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, способных скрещиваться и давать плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям среды и занимающих определенный ареал. Популяция – совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, населяющих определенный ареал и частично изолированных от других 33 популяций.
Факторы эволюции Мутационный процесс увеличивает генетическую разнородность популяций, создает резерв изменчивости и дает более широкие возможности для совершенствования приспособлений при изменении среды. Элементарными наследственными изменениями являются различные формы мутаций, которые определяют изменения признаков и свойств у организмов. Популяционные волны или «волны жизни» – периодические и непериодические колебания численности особей в популяциях. Причинами этих колебаний могут быть различные абиотические и биотические факторы. Изоляция – важнейший фактор эволюции, приводящий к разобщению, делающим невозможным свободное скрещивание. Пространственная изоляция связана с территориально географическими (водные преграды, горы и др. ) и экологическими (расселение по разным экологическим нишам) факторами разобщения популяций. Биологическая изоляция связана с особенностями поведения, изменения строения и физиологической активности сроков размножения, препятствующих скрещиванию. Приведенные выше факторами эволюции, носят случайный, ненаправленный характер. Направляющим фактором эволюции является естественный отбор. Естественный отбор – ведущий, направляющий фактор эволюционного развития органического мира. Отбор из поколения в поколение по фенотипам ведет к отбору генотипов. Основные формы естественного отбора: стабилизирующий (сохранение признаков вида со средними значениями в относительно постоянных условиях), движущий (действует в изменяющихся условиях среды и обеспечивает преимущество особям с некоторыми отклонениями от средней нормы), разрывающий или 34 дизруптивный (способствует сохранению множества фенотипов в разнообразных условиях).
Направления эволюционного процесса А. Н. Северцов выделял три основных пути биологического прогресса: ароморфоз, идиоадаптация, общая дегенерация. 1. Ароморфозы (арогенез) – усложнения строения и функций организмов, которые ведут к общему повышению организации и жизнеспособности группы в новых условиях обитания. 2. Идиоадаптации (аллогенез) – мелкие приспособления к специфическим условиям среды. 3. Общая дегенерация (катагенез) – упрощение организации, образа жизни в результате приспособления к более простым условиям существования. 1 2 3 В природе также наблюдается и биологический регресс, который характеризуется уменьшением численности особей группы, сокращением ареала, уменьшением числа и разнообразия дочерних групп. 35
Происхождение жизни на Земле Существует несколько гипотез о происхождении жизни на Земле. Креационизм – земная жизнь была создана Творцом. Представления о Божественном сотворении мира придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Гипотеза вечности жизни – жизнь, как и сама Вселенная, существовала всегда, и будет существовать вечно, не имея начала и конца. Жизнь могла распространяться от одной галактики к другой и эта идея «заноса» на Землю жизни из Космоса называется панспермией. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни из неживой материи. Идеи о самозарождении жизни высказывались еще со времен античности, считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. Так, рыбы могли зарождаться из ила, черви – из почвы, мыши – из тряпок, мухи – из гнилого мяса. Ф. Реди экспериментально показал невозможность постоянного самозарождения живого: «живое – от живого» . Окончательно версия о постоянном самозарождении живых организмов была опровергнута в середине XIX в. Л. Пастером. Опыты убедительно показывали, что в современную эпоху живые организмы любого размера происходят от других живых организмов. Гипотеза биохимической эволюции. По представлениям, высказанным в 20 х гг. ХХ в. А. И. Опариным, а затем Дж. Холдейном, жизнь, а точнее, живое, возникло из неживой материи на Земле в результате биохимической эволюции. 36
Условия возникновения жизни путем биохимической эволюции - первоначальное отсутствие жизни; - наличие в атмосфере соединений, обладающих восстановительными свойствами (при почти полном отсутствии кислорода О 2); - наличие воды и биогенных веществ; наличие источника энергии (относительно высокая температура, мощные электрические разряды, высокий уровень УФ-излучения). В настоящее время имеется уже достаточно много неоспоримых доказательств того, что первичная атмосфера Земли была бескислородной и, вероятно, состояла главным образом из водяных паров, H 2 и CO 2 с небольшой примесью других газов (NH 3, CH 4, CO, H 2 S). Возникшая на Земле жизнь постепенно изменила эти условия и преобразовала химию верхних оболочек планеты. 37
Механизм возникновения жизни Возраст Земли составляет около 4, 6– 4, 7 млрд. лет. Жизнь имеет свою историю, начавшуюся, по палеонтологическим данным, 3, 8 млрд. лет назад. В 1924 г. русский академик А. И. Опарин выдвинул гипотезу о механизме зарождения жизни. В 1953 г. американские ученые С. Миллер и Г. Юри экспериментально подтвердили гипотезу образование органических веществ (мономеров) из газов, присутствующих в первичной атмосфере Земли. Аппарат Миллера-Юри 38
Согласно биохимической теории А. И. Опарина в отсутствие кислорода и живых организмов, абиогено синтезировались простейшие органические соединения и накапливались в Мировом океане – «первичном бульоне» . Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров. Полипептиды благодаря их амфотерности формировали гидрофильные комплексы и образовывали обособленных от первичной среды капели коацерватов, способных поглощать и избирательно накапливать различные соединения. Дальнейшая самоорганизация сложных молекул, происходившая за счет концентрирования на границе между коацерватами и внешней средой молекул липидов, привела к образованию перегородок мембранного типа. С избирательного проникновения молекул в коацерваты началась эволюцию от химических реакций к биохимическим. Точка зрения Опарина и его сторонников сформировала гипотезу голобиоза: структурную основу доклеточного предка (биоида) составляют жизнеподобные открытые микросистемы, типа клеточной, способные к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Первичной белковая субстанция. Гипотеза генобиоза: первичной была макромолекулярная система, подобная гену, способная к саморепродукции. Первичной признана молекула РНК. 39
Начальные этапы развития жизни на Земле Первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3, 8 млрд. лет назад – анаэробные, гетеротрофные прокариоты, они питались синтезированными абиогенно органическими веществами или менее удачливыми своими собратьями, энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения. При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности, т. е. к синтезу органических веществ из неорганических. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии. Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света у цианобактерий – фотосинтез. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ. Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиогенеза эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток (митохондрии, пластиды), которые взаимодополняют друга. С момента появления первых прокариотических клеток (3, 8 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось 2, 5 млрд. лет. 40
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ В настоящее время на Земле описано около 3 млн. видов живых организмов. Иерархия таксонов: царство, отдел (тип), класс, порядок (отряд), семейство, род, вид. Неклеточные формы ЦАРСТВО ВИРУСЫ (внутриклеточные паразиты, обычно состоят из молекулы нуклеиновой кислоты и белковой оболочки капсида). Клеточные формы Надцарство Прокариоты (одноклеточные организмы, не имеют ядра и мембранный органоидов) ЦАРСТВО АРХЕБАКТЕРИИ ЦАРСТВО ЭУБАКТЕРИИ ЦАРСТВО ЦИАНОБАКТЕРИИ Надцарство Эукариоты (одноклеточные или многоклеточные организмы, имеющие оформленное ядро и различные органоиды) ЦАРСТВО ГРИБЫ (гетеротрофы, осмотрофы) ЦАРСТВО РАСТЕНИЯ (фотоавтотрофы) ЦАРСТВО ЖИВОТНЫЕ (гетеротрофы, голозои) 41
ЦАРСТВО ГРИБЫ – подцарство Слизевики – подцарство Грибы: отдел Хитридиомицеты, отдел Оомицеты, отдел Зигомицеты, отдел Аскомицеты или Сумчатые грибы, отдел Базидиомицеты, отдел Дейтеромицеты или Несовершенные грибы – Лишайники ЦАРСТВО РАСТЕНИЯ – подцарство Багрянки: отдел Красные водоросли – подцарство Настоящие водоросли: отдел Зеленые водоросли, отдел Золотистые водоросли, отдел Желто-зеленые водоросли, отдел Диатомовые водоросли, отдел Бурые водоросли, отдел Пирофитовые водоросли, отдел Эвгленовые водоросли – подцарство Высшие растения: отдел Моховидные, отдел Риниовидные, отдел Плауновидные, отдел Хвощевидные, отдел Папоротниковидные, отдел Голосемянные, отдел Покрытосемянные (класс Однодольные, класс Двудольные). ЦАРСТВО ЖИВОТНЫЕ – подцарство Одноклеточные: тип Саркомастигофоры (класс Жгутиконосцы, класс Саркодовые), тип Споровики, тип Инфузории – подцарство Многоклеточные: тип Губки, тип Кишечнополостные (класс Гидроидные полипы, класс Сцифоидные полипы, класс Коралловые полипы), тип Гребневики, тип Плоские черви (класс Моногенетические сосальщики, класс Трематоды, класс Ленточные черви), тип Круглые черви (класс Нематоды, класс Волосатики, класс Скребни, класс Коловратки), тип Кольчатые черви (класс Многощетинковые, класс Малощетинковые, класс Пиявки), тип Членистоногие (класс Ракообразные, класс Мечехвосты, класс Паукообразные, класс Многоножки, класс Насекомые), тип Моллюски (класс Брюхоногие, класс Двустворчатые, класс Головоногие), тип Иглокожие (класс Морские лилии, класс Морские звезды, класс Морские ежи, класс Голотурии), тип Хордовые (подтип Оболочники, подтип Бесчерепные и подтип Позвоночные, 42 включающий классы – Круглоротые, Хрящевые рыбы, Костные рыбы, Земноводные, Пресмыкающиеся, Птицы, Млекопитающие).
Экологические факторы – это любые элементы среды обитания, которые воздействуют на организмы. По природе экологические факторы делят на абиотические и биотические, природные и антропогенные. Абиотические факторы – компоненты неживой природы, прямо или косвенно воздействующие на организм (свет, температура, влажность, ветер, атмосферное давление, землетрясения, извержения вулканов, движение ледников, радиоактивное излучение, крутизна местности и др. ). Биотические факторы – воздействие на организм других живых организмов (внутривидовые, межвидовые; по типу взаимодействия – протокооперацию, мутуализм, комменсализм, внутривидовую и межвидовую конкуренции, паразитизм, хищничество, аменсализм, нейтрализм). Антропогенные факторы – деятельность человека, приводящая либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания (охота, промысел, сведение лесов, загрязнение, эрозия почв и др. ). 43
Закон толерантности (закон оптимума или закон В. Шелфорда) – каждый фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организмы. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Способность живых организмов переносить количественные колебания действия экологического фактора в той или иной степени называется экологической валентностью или толерантностью. Закон минимума (закон Ю. Либиха или правило ограничивающих факторов) – возможности существования организмов в первую очередь ограничивают те факторы среды, которые наиболее удаляются от оптимума. Если хотя бы один из экологических факторов приближается или выходит за пределы критических величин, то, несмотря на оп тимальное сочетание остальных условий, особям грозит гибель. Так, продвижение вида на север может лимитироваться (ограничивается) недостатком тепла, в аридные районы – недостатком влаги или слишком высокими температурами. Закон незаменимости фундаментальных факторов (В. Р. Вильямсон) – полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (света, воды, кислорода, питательных веществ) не может быть компенсировано (заменено) другими факторами. Так, по данным «Книги рекордов Гиннеса» без воздуха человек может прожить до 10 мин. , 44 без воды – 10– 15 суток, без пищи – до 100 дней.
Структура и функционирование экологических систем Живые организмы находятся между собой и абиотическими условиями среды обитания в определенных отношениях, образуя тем самым, так называемые, экологические системы. Биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории. Биотоп – определенная территория со свойственными ей абиотическими факторами среды обитания (климат, почва). Экосистема (экологическая система) – система совместно обитающих живых организмов и условий их существования, связанных потоком энергии и круговоротом веществ. Экосистема = биоценоз + биотоп. Биогеоценоз – экосистема в пределах растительного сообщества. При всем многообразии органический мир представляет собой единое целое. 45
В состав экосистемы входят функциональные компоненты, обеспечивающих круговорот веществ: Продуценты – автотрофные организмы, способные производить органические вещества из неорганических, используя фотосинтез или хемосинтез (растения и автотрофные бактерии). Консументы – гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество (в основном, животные). Редуценты – гетеротрофные организмы, питающиеся органическими остатками и разлагающие их до минеральных веществ (сапротрофные бактерии и грибы). Основой всей жизни на Земле является Фотосинтез, поддерживаемый энергией Солнца (растения используют 1% солнечной энергии). 46
В экосистеме пищевые и энергетические связи идут в на правлении: продуценты → консументы → редуценты. Питаясь другом, живые организмы образуют цепи питания. Каждое звено цепи называется трофическим уровнем. При передаче энергии в пищевой цепи с одного трофического уровня на другой большая часть энергии рассеивается в виде тепла (в соответствии со вторым законом термодинамики), и только около 10 % от первоначального количества пере дается по пищевой цепи. Правило десяти процентов – на каждый следующий трофический уровень переходит примерно 10 % вещества и энергии 47 предыдущего уровня.
Глобальные экологические проблемы Появление около 40 тыс. лет назад человека разумного стало оказываться все возрастающее, и большей мере, негативное воздействие на биосферу и геологические оболочки Земли. • Загрязнение – привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых (обычно не характерных для нее) вредных химических, физических, биологических агентов. Загрязнение окружающей среды может быть физическое (тепловое, радиоактивное, шумовое, электромагнитное, световое и др. ), химическое (тяжелые металлы, пестициды, пластмассы, аэрозоли и др. ) и биологическое (патогенные микроорганизмы и др. ). Ингредиентное загрязнение – совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам (бытовые стоки, ядохимикаты и удобрения, продукты сгорания и т. д. ). Параметрическое загрязнение – изменение качественных параметров окружающей природной среды (шумовое, тепло вое, световое, радиационное, электромагнитное). Биоценотическое загрязнение – воздействия, вызывающие нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция и т. д. ). Стациально-деструкционное загрязнение – воздействие, приводящее к нарушению и преобразованию ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (вырубка лесов, эрозия почв, урбанизация и пр. ). 48
• • Парниковый эффект – разогрев нижних слоев атмосферы, которому способствует поступление в атмосферу антропогенных примесей (углекислый газ, метан и т. д. ). Последствия: повышение уровня Мирового океана в результате таяния материковых и морских льдов, что приведет к затоплению приморских равнин, увеличение сезонного протаивания грунтов в районах с вечной мерзлотой, активизирует процессы заболачивания и т. д. Разрушение «озонового слоя» – понижение (до 50% и более) содержания озона в озоносфере (на высоте 20– 25 км ). Основная причина – фреоны (хлорфторуглероды) – вещества, широко применяемые в производстве и быту в качестве хладагентов (холодильники, кондиционеры, рефрижераторы), пенообразователей и распылителей. Последствия: увеличение потока ультрафиолетовых лучей на земную поверхность, которые в больших дозах губительных для всех живых организмов, из за способности вызывать раковые заболевания и мутации. Кислотные дожди – дождь, подкисленный до р. Н < 5, 6 из за растворения в атмосферной влаге антропогенных выбросов (диоксид серы, оксиды азота, хлороводород и пр. ). Последствия: прямое биоцидное воздействие на растительность, снижение р. Н почв, ухудшение состояния и гибель лесных массивов, а снижению урожайности многих сельскохозяйственных культур. Деградация почвенного покрова – ухудшении качества почвы в результате снижения плодородия или полное разрушение. Явления деградации и полного разрушения почв многообразны: водная и ветровая эрозия почв, промышленная эрозия, истощение почв, затопление и разрушение водами водохранилищ, радиоактивное промышленное и сельскохозяйственное загрязнение почв и др. 49
• Деградация биотических сообществ – растительного и животного мира К ней приводят антропогенные факторы: прямое уничтожение и ухудшение условий жизни. Ежегодно на Земле исчезает по 1 виду растений и животных. Потеря любого биологического вида (возможно, кроме паразитов человека) крайне нежелательна для биосферы, т. к. он участвует в круговороте веществ, поддерживает динамическое равновесие в природных экосистемах. Любой вид уникален и обладает только ему присущими особенностями. Для сохранения видового разнообразия и осуществляют следующие мероприятия: эффективное использование растительных и животных ресурсов; борьба с лесными, степными, торфяными пожарами; лесовозобновление; защита растений от вредителей и болезней; охрана отдельных видов живых организмов и их сообществ; организация особо охраняемых природных территорий (ООПТ). В Российской Федерации организованы: - 101 заповедник (~1, 5% территории страны), - 35 национальных парков ( 0, 5%). В Самарской области находятся -Жигулевский государственный заповедник, 50 - национальный парк «Самарская Лука» .
• Демографическая проблема. Стремительный рост численности населения развивающихся стран часто называют «демографическим взрывом» . Его начало приходится на вторую половину XX в. ООН и ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения) в короткие сроки удалось резко снизить детскую смертность, улучшить общее санитарное состояние жизненной среды населения развивающихся стран. 1830 г. – 1 млрд. 1939 г. – 2 млрд. 1960 г. – 3 млрд. 1975 г. – 4 млрд. 1987 г. – 5 млрд. 2000 г. – 6 млрд. Ежегодный чистый прирост составляет сейчас 78 млн. человек – почти столько живет в настоящее время во всей Германии. За сутки численность землян увеличивается почти на четверть миллиона человек, за час – на 10 тыс. Очевидные негативные следствия стихийного хода демографических процессов требуют его упорядоченности. Единственной приемлемой для этого формой является регулирование рождаемости. 51
Современное состояние и прогноз роста численности населения (млн. чел. ) 10 самых крупных стран мира 52
ЧЕЛОВЕК И ЕГО ЗДОРОВЬЕ Человек – один из 3 млн. известных сейчас биологических видов на Земле. Место в системе царства животные : класс млекопитающие отряд приматы семейство гоминиды (Hominidae) род человек (Homo) один вид – человек разумный (Homo sapiens). Происхождение человека, становление его как вида называется антропогенезом. Самые древние предки человека австралопитеки возникли 5– 8 млн. лет назад в Восточной Африке. Среди них 2– 3 млн. лет назад выделился род человек (Нomo). 53
Древнейшие люди: (300 тыс. – 2 млн. лет назад) человек умелый (Homo habilis) и человек прямоходящий (Homo erectus), к которому относят питекантропов и синантропов Древние люди: (300 40 тыс. лет назад). неандертальцы (Homo neandertaliensis) Современные люди: (40– 50 тыс. лет назад) кроманьонцы и их прямые потомки составляют единый вид – человек разумный (Homo sapiens) 54
Движущие силы антропогенеза: - Биологические факторы – это наследственность, изменчивость, борьба за существование и естественный отбор. - Социальные факторы – трудовая деятельность, общественный образ жизни, речь (вторая сигнальная система) и мышление. Вне человеческого общества само формирование человека невозможно. Человек биосоциальный вид. Человек разумный (Homo sapiens), к которому относятся современные люди, в настоящее время разделен на 5 больших расы: - негроиды, - европеоиды, - монголоиды, - австралоиды, - американоиды. 55
История взаимоотношений человеческого общества с природой 1. Кризис консументов Появившись на Земле 2– 3 млн. лет назад человек был собирательлем. Использование огня (1, 6 млн. лет назад) и изобретение оружия привело к массовому уничтожению крупных млекопитающих средних широт. Этот кризис заставил человека перейти от охоты и собирательства к скотоводству и земледелию. 2. Кризис продуцентов Переход к аграрной (с/х) культуре называют неолитической революцией. Экологические последствия: обширные пожары, выгорание и вырубка лесов, гибель многих животных, распашка земель, эрозии почв. 56
3. Кризис редуцентов Появление огромного количества отходов, причем часто в виде несвойственных природе веществ. 4. Термодинамический кризис Тепловое загрязнение биосферы – добавление тепловой энергии в приземный слой тропосферы в результате сжигания огромного количества горючих полезных ископаемых, а также использования атомной и термоядерной энергии. 57
Здоровье человека – это состояние полного физического, душевного и социального благополучия. 58
Морфо-физиологические особенности человека Ткань - совокупность клеток, сходных по происхождению, строению и функции. - Эпителиальные ткани (однослойный и многослойный эпителий). - Соединительные ткани (рыхлая и плотная волокнистые соединительная ткани, жировая ткань, хрящевая и костная ткани, кровь, лимфа). - Мышечные ткани (гладкая мышечная ткань, поперечно полосатая скелетная и сердечная мышечная ткани). - Нервная ткань (нервные клетки и нейроглия). 59
Опорно-двигательная система ОДС образована скелетом и мышцами, ведущая функция – движение. Скелет (более 200 костей и их соединений). Функции: опорная, защитная, двигательная, участие в минеральном обмене и кроветворении (красный костный мозг). 60
Схема строения скелета человека А. Кости осевого скелета. Б. Кости скелета конечностей и их поясов. 1 – череп; 2 – грудина; 3 – ребра; 4 – позвонки; 5 – плечевая кость; 6 – тазовый пояс; 7 – малая берцовая кость; 8 – большая берцовая кость; 9 – кости предплюсны; 10 – плюсневые кости; 11 – фаланги пальцев; 12 – ключица; 13 – лопатка; 14 – лучевая кость; 15 – локтевая кость; 16 – кости запястья; 17 – пястные кости; 18 – фаланги пальцев; 61 19 – бедренная кость.
Скелетные мышцы (около 400 мышц). Функции: перемещение тела и его частей в пространстве, дыхательные движения, жевание, глотание, мимика, артикуляция звуков и др. Мышцы работаю рефлекторно, т. е. сокращаются под влияние нервных импульсов через неврно-мышечный синапс (медиатором служит ацетилхолин), поступающих из центральной нервной системы. Корковый отдел двигательного анализатора - в передней центральной извилине коры больших полушарий. 62
63
Пищеварительная система - комплекс органов, осуществляющих процесс механической и химической обработки пищи, всасывание переработанных веществ и выведение наружу непереваренных и неусвоенных составных частей пищи. Сложные органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) распадаются на более простые, которые всасываются в кровь или лимфу усваиваются организмом как пластический и энергетический материал. Пищеварительный канал имеет длину 8– 10 м и подразделяется на отделы: полость рта, глотка, пищевод, желудок, тонкая и толстая кишка. Пищеварительный центр находится в продолговатом мозге. 64
Наиболее крупные пищеварительные железы – поджелудочная железа и печень. Поджелудочная железа состоит из экзокринной части, вырабатывающей панкреатический сок (поступает в двенадцатиперстн ую кишку) и эндокринной части, секретирующей в кровь гормоны инсулин и глюкогон. 65
Печень состоит из долек, образованных печеночными клетками. Печень вырабатывает желчь (по желчному протоку поступает в двенадцатиперстную кишку), активирующая действие всех пищеварительных ферментов, эмульгирующая жиры. Помимо участия в пищеварении печень выполняет барьерную функцию в организме, обезвреживая ядовитые вещества, образующиеся в процессе обмена или поступающие извне. В клетках печени синтезируется гликоген. 66
Обмен веществ (метаболизм) – одно из основных свойств живых организмов. Суть его состоит в постоянном обмене веществ и энергии между организмом и внешней средой (процессы ассимиляции и диссимиляция). Обмен белков. Аминокислоты, входящие в состав белков, подразделяют на заменимые и незаменимые. Суточная потребность в белках составляет около 80 – 150 г и зависит от интенсивности физической нагрузки. Обмен углеводов. Углеводы – основной источник энергии в организме. При расщеплении 1 г высвобождается 17, 6 к. Дж энергии. Суточное потребление углеводов должно составлять около 500 г. Обмен жиров. Жиры содержат наибольшие запасы энергии. При распаде 1 г выделяется 38, 9 к. Дж энергии. Суточная потребность в жирах составляет 70 – 80 г. Избыточное употребление в пищу углеводов и белков приводит к отложению жира в организме. Водно-солевой обмен. Вода составляет около 70% массы тела. Суточная потребность в воде для взрослого организма соответствует 2, 5 – 3 л. Воду, которую человек получает в виде питья (1, 5 л) и в составе пищевых продуктов (1 – 1, 2 л). Минеральные вещества поддерживают кислотно щелочное равновесие (натрий, калий, хлор), обеспечивают процессы возбудимости нервной и мышечной тканей (калий), образование костного скелета (фосфор, кальций, магний), гемоглобина, миоглобина (железо) и т. д. Важную роль в организме играют витамины – группа биологически активных органических соединений различной химической природы, часто являющихся 67 составной частью ферментов.
Дыхательная система Внешнее дыхание обеспечивается системой органов дыхания, которая включает носовую полость, гортань, трахею, бронхи и легкие. В спокойном состоянии человек вдыхает и выдыхает около 500 см 3 воздуха. При глубоком вдохе человек может вдохнуть еще около 1500 см 3 воздуха. Регуляция дыхания осуществляется дыхательным центром в продолговатом мозге. Гуморальная регуляция дыхания заключается в том, что увеличение в крови концентрации СО 2 повышает возбудимость дыхательного центра. На дыхательные движения оказывает влияние кора больших полушарий. 68
Выделительная система Основными органами выделения являются почки. Они способствуют поддержанию постоянства ионного состава, осмотического давления, р. Н крови и внеклеточной жидкости, удаляют из организма многие вредные и ядовитые вещества. В выделении участвуют также легкие (выводят СО 2, Н 2 О и некоторые летучие вещества), кишечник (соли тяжелых металлов, продукты превращения жёлчных пигментов), потовые железы (выделяют с потом воду, мочевую кислоту, мочевину, аммиак, соли и др. ). 69
Внутренняя среда организма: кровь, лимфа, тканевая жидкость Функции крови: транспортную, распределения теплоты, регуляторную, защитную, участвует в выделении, поддерживает постоянство внутренней среды организма. В организме взрослого человека содержится около 5 л крови, в среднем 6 – 8 % от массы тела. Потеря 1/3 – 1/2 объема крови может привести к смерти. Кровь представляет собой непрозрачную красную жидкость, состоящую из плазмы (55%) и взвешенных в ней клеток, форменные элементов (45%) – эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Иммунитет – способ защиты организма от генетически чужеродных веществ и инфекционных агентов. 3 ащитные реакции организма обеспечиваются клетками фагоцитами, а также белками – антителами. Лимфа – бесцветная жидкость; образуется из тканевой жидкости и не содержит эритроцитов, имеет различный состав в зависимости от особенностей их обмена веществ (лимфа, оттекающая от печени, имеет наибольшее количество белка, от кишечника – липидов). 70
Движение крови по сосудам обеспечивается органами кровообращения, которые представлены центральным пульсирующим органом – сердцем и сосудами – артериями, капиллярами и венами. Сердечная мышца обладает свойством автономии, способностью сокращаться под влиянием импульсов, возникающих в само сердце. Систола (сокращение) и диастола (расслабление) согласованы и составляют цикл работы сердца. В норме частота сердечных сокращений взрослого человека колеблется от 60 до 80 в 1 мин, у спортсменов 40 – 50, у новорожденных 140. Регуляция осуществляется блуждающим (парасимпатическим) нервом и симпатическими волокнами. Центры, регулирующие деятельность сердца, находятся 71 в продолговатом и спинном мозге.
Кровеносные сосуды тела объединяют в большой и малый круги кровообращения. Большой круг кровообращения начинается из левого желудочка аортой, артериальная кровь богатая кислородом и питательными веществами направляется ко всем органам тела человека. Венозная кровь собирается сначала в мелкие, а затем в крупные вены и, наконец, по двум полным венам возвращается в правое предсердие. Малый (легочный) круг кровообращения начинается из правого желудочка, венозная кровь направляется по легочным артериям в легкие и там превращается в артериальную, затем возвращается по легочным венам в левое предсердие, а 72 оттуда – в левый желудочек.
73
Нервная система Регулирует работу органов, осуществляет согласованную деятельность разных систем органов, обеспечивает связь организма с внешней средой, а также сознательную деятельность людей. Основные свойства нервного волокна и тела нервной клетки - возбудимость и проводимость. Характерным свойством клеточной мембраны всех живых клеток является поддержание разности потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью – потенциала покоя, причем внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к наружной (К+, Nа+, Сl–). Рефлекс - ответную реакцию организма на раздражение рецепторов, осуществляемую через центральную нервную систему (ЦНС). Путь, по которому распространяется возбуждение при осуществлении рефлекса, называют рефлекторной дугой. 74
Спинной мозг расположен в позвоночном канале и состоит из серого (внутренний слой) и белого (наружный слой) вещества, с отходящими отростками нейронов. Спинной мозг выполняет две важные функции: рефлекторную и проводниковую. Двигательные нейроны спинного мозга иннервируют все мышцы туловища и конечностей. С вегетативными центрами спинного мозга связаны важнейшие вегетативные рефлексы: сосудодвигательный, пищевой, дыхательный, дефекации, мочеиспускания, 75 половой.
Головной мозг находится в мозговом отделе черепа. Масса головного мозга у взрослых людей составляет около 1400 – 1600 г. Отделы: передний, промежуточный, средний, задний (мост и мозжечок) и продолговатый. 76
Продолговатый мозг – центры дыхания, сердечной деятельности, сосудодвигательный, центры безусловных пищевых рефлексов, защитных рефлексов (кашля, чихания, рвоты). Задний мозг состоит из варолиева моста и мозжечка. Проводящие пути моста связывают продолговатый мозг и мозжечок с большими полушариями. Основными функциями мозжечка являются координация движений и нормальное распределение мышечного тонуса. Средний мозг (четверохолмие) регуляция мышечного тонуса, центр зрительных и слуховых ориентировочных рефлексов. Промежуточный мозг включает зрительные бугры (таламус), надбугорную область (эпиталамус), подбугорную область (гипоталамус) и коленчатые тела. Сверху к нему прилегает эпифиз, снизу – гипофиз. Таламус является подкорковым центром всех видов чувствительности и координирует внешнее проявление эмоций (мимику, жесты, изменение дыхания, пульса, давления). В гипоталамусе находятся высшие центры вегетативной нервной системы, контролирует деятельность передней доли гипофиза. Ядра эпиталамуса принимают участие в работе обонятельного анализатора. В коленчатых телах находятся подкорковые центры зрения и слуха. 77
Передний мозг представлен правым и левым полушариями, которые соединены пластинкой белого вещества – мозолистым телом. Белое вещество представляет собой проводящие пути полушарий. Среди белого вещества находятся ядра серого вещества (подкорковые структуры). Кора больших полушарий представляет собой слой серого вещества толщиной в 2 – 4 мм. Она образована нервными клетками (14 – 17 млрд. ). Многочисленные складки, извилины и борозды значительно увеличивают площадь коры (до 2000 – 2500 см 2). Двигательная зона коры расположена в передней центральной извилине лобной доли, зона кожномышечной чувствительности – в задней центральной извилине теменной доли. Зрительная зона находится в затылочной доле, слуховая – в височной. Центры обоняния и вкуса функционально связаны между собой и расположены на внутрен ней поверхности височной и лобных долей. Ассоциативные зоны коры (в частности, теменная доля) связывают различные области коры. Деятельность этих зон лежит в основе высших психических функции человека (памяти, способности к логическому мышлении и обучению, воображению), обеспечивающих возможность целе сообразной реакции поведения. 78
Вегетативная нервная система часть нервной системы, регулирующей деятельность внутренних органов (дыхания, кровообращения, пищеварения, выделения и др. ). Она влияет на обмен веществ и рост; играет ведущую роль в поддержании постоянства внутренней среды и в приспособительных реакциях организма. Центральная часть вегетативной нервной системы расположена в среднем, продолговатом и спинном мозге. Вегетативная нервная система состоит из двух частей: симпатической и парасимпатической. К большинству внутренних органов подходят как симпатические, так и парасимпатические нервные волокна (двойная иннервация), которые обычно оказывают противоположные влияния (так, парасимпатическое влияние – ослабление и замедление сердечной деятельности, симпатическое – усиление и ускорение). Деятельность вегетативной нервной системы не подчинена воле человека. 79
Анализаторы Органы чувств – осязания, зрения, слуха, вкуса и обоняния. В зависимости от способа взаимодействия рецептора с раздражителем различают контактные (рецепторы кожи, вкусовые) и дистантные (зрительные, слуховые, обонятельные) рецепторы. Анализатор – функциональная система, состоящая из трех компонентов: рецептора (периферической части), проводниковой части и центральной части, представленной соответствующей областью коры головного мозга. 80
Эндокринная система Гипоталамус (отдел промежуточного мозга) – высший центр регуляции эндокринных функций, объединяет нервные и эндокринные регуляторные механизмы в единую нейроэндокринную систему. Гипофиз (нижний придаток мозга) выделяет гормоны: соматотропный (регулирует рост), гонадотропный (способствует росту половых клеток и образованию половых гормонов), тиреотропный (действует на щитовидную железу), адренокортикотропный (усиливает синтез гормонов коры надпочечников) и др. Эпифиз (расположен между холмами среднего мозга) выделяет гормон мелатонин, тормозящий действие гонадотропных гормонов. Щитовидная железа (на шее впереди гортани) выделяет тироксин, трииодтиронин др. (стимуляция окислительных процессов в клетках, регуляция водного, белкового, жирового, углеводного и минерального 81 обменов, роста и развития организма).
Паращитовидные железы вырабатывают паратгормон, вызывающий повышение уровня Са 2+ в плазме. Надпочечники вырабатывают глюкокортикоиды (влияют на обмен углеводов, белков, жиров и др. ), минералокортикоиды (регулируют обмен натрия и калия, действую на почки) и половые гормоны (андрогены, эстрогены и прогестерон, обуславливающие развитие вторичных половых признаков), адреналин (повышает систолический объем, ускоряет частоту сердечных сокращений и др. ) и норадреналин. Вилочковая железа (тимус) наибольшую массу имеет у новорожденных, в ней размножаются и дифференцируются клетки – предшественники Т-лимфоцитов. Поджелудочная железа выделяет пищеваритель ные ферменты в двенадцатиперстную кишку по выводному протоку, а гормоны непосредст венно в кровь (глюкагон и инсулин регулируют уровень глюкозы в крови). Половые железы – семенники у мужчин и яичники женщин. В них образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Эндокринная функция связана с выработкой мужских (андрогены – тестостерон и андростерон) и женских (эстрагены – эстрадиол и прогестерон) половых гормонов. В мужских половых железах помимо андрогенов вырабатывается небольшое количество женских половых гормонов, а в женских одновременно с эстрогенами 82 образуется небольшое количество андрогенов.
Органы размножения 83
Размножение и развитие Половое размножение обеспечивает смену поколений. При слиянии женской и мужской половой клеток образуется зигота, дающая начало новому организму. Она наследует признаки отца и матери. Половые клетки образуются в половых органах: яйцеклетки – в яичниках (с возраста 11 -14 лет), сперматозоиды – в семенниках (с возраста 12 -13 лет). Оплодотворение яйцеклетки одним сперматозоидом происходит в маточной трубе. Образовавшаяся диплоидная зигота начинает делиться. Зародыш затем попадает в матку и внедряется в ее слизистую оболочку. Оплодотворение возможно в течение 12 – 24 ч после овуляции (т. е. выхода яйцеклетки из фолликул яичника в брюшную полость), пока яйцеклетка сохраняет свою жизнеспособность. Способность к оплодотворению сперматозоидов сохраняется 2 – 4 сут. Если оплодотворения не произошло, то яйцеклетка разрушается и отторгается слизистая оболочка матки (менструация). Самая наибольшая вероятность оплодотворения яйцеклетки примерно с 10 по 19 день после первого дня ментсруального периода. В развитии человека выделяют эмбриональный (пренатальный или внутриутробный) и постэмбриональный периоды. Эмбриональное развитие человека (продолжается в среднем 280 сут. ) делят на три периода: начальный (1 я неделя развития), зародышевый 84 (2 – 8 я недели), плодный (с 9 й недели развития до рождения ребенка).
Постэмбриональный период включает детство, отрочество и зрелость (взрослое состояние). Детство включает три стадии: первое детство (до 3 лет) это период развития функциональной независимости и речи; второе детство (с 3 до 6 лет) характеризуется развитием личности ребенка и когнитивных процессов; третье детство (с 6 до 12 лет) и соответствует школьному возрасту и включению ребенка в социальную группу. Начало полового созревания знаменует собой окончание детства и вступление ребенка в отрочество. Отрочество подразделяется на два периода: пубертатный период половое созревание (до 15 или 16 лет); ювенальный период (юность), продолжающийся с 16 до 18– 20 лет. Зрелость несколько произвольно разделяют на три стадии: стадия ранней зрелости охватывает период с 20 до 40 лет; зрелый возраст, продолжающийся с 40 до 60 лет; период зрелости начинается с 60– 65 лет и чаще всего сопровождается отходом человека от активной жизни, после 75 возраст считается преклонным. Жизнь уходит также поэтапно – в обратном порядке по сравнению с тем, как она развивается. Можно выделить четыре стадии этого процесса: социальная смерть; психическая смерть; мозговая смерть; физиологическая смерть. 85
Высшая нервная деятельность – деятельность высших отделов центральной нервной системы, обеспечивающих наиболее совершенную приспособляемость животных и человека к условиям среды. Основой высшей нервной деятельности у млекопитающих кора больших полушарий вместе с подкорковыми ядрами переднего мозга. Всю совокупность рефлексов, происходящих в организме, И. П. Павлов разделил на две группы: безусловные и условные. Безусловные рефлексы – врожденные, передающиеся по наследству (слюноотделение, глотание, дыхание и т. д. ), видовые, имеют постоянные рефлекторные дуги, формируются на уровне спинного мозга и ствола мозга, подкорковых ядер. Условные рефлексы – приобретенные организмом в течение жизни, индивидуальные, не имеют готовых рефлекторных дуг, непостоянные; формируются на базе безусловных рефлексов и осуществляются за счет деятельности коры головного мозга. Условные рефлексы не только вырабатываются, но и исчезают или ослабляются при изменении условий существования в результате торможения. И. П. Павлов различал два вида торможения условных рефлексов: безусловное (внешнее) и условное (внутреннее). 86
Поведение любого животного гораздо проще, чем поведение человека. Особенностями высшей нервной деятельности человека являются высокоразвитая психическая деятельность, сознание, речь, способность к абстрактно-логическому мышлению. И. П. Павлов разработал учение о первой и второй сигнальных системах. Первую сигнальную систему составляет восприятие окружающего мира, связанное с анализом и синтезом непосредственных сигналов, которые приходят от зрительных, слуховых, обонятельных и других рецепторов. Вторая сигнальная система возникла и развилась у человека в связи с появлением речи. Она отсутствует у животных и обусловлена специфической особенностью высшей нервной деятельности человека – восприятием слышимых (произносимых) или видимых (при чтении) слов. Сигнальное значение слова связано не с простым звукосочетанием, а с его смысловым содержанием. Развитие словесной сигнализации сделало возможным обобщения и абстракции, находящие свое выражение в понятийной деятельности человека. 87
Память Накопление, хранение и обработка информации – важнейшее свойство нервной системы. Различают два вида памяти: кратковременную и долговременную. В основе кратковременной памяти лежит циркуляция нервных импульсов по замкнутым нейронным цепям. Это может продолжаться от нескольких секунд до 10 – 20 мин. Информация, хранящаяся в кратковременной памяти, быстро «стирается» . Материальной основой долговременной памяти являются различные структурные изменения в цепях нейронов, вызванные электрохимическими процессами возбуждения. В долговременной памяти информация хранится в доступном для извлечения виде. В настоящее время найдены пептиды, вырабатываемые нервными клетками и влияющие на процесс памяти. Определенная роль в формировании памяти принадлежит эмоциям. В формировании памяти участвуют нейроны коры больших полушарий (височные доли), ретикулярная формация ствола мозга, гипоталамическая область. Различают зрительную, слуховую, осязательную, двигательную, или моторную, и смешанную память в зависимости от того какой из анализаторов играет в этом процессе главную роль. 88
Темперамент И. П. Павлов на сочетании процессов возбуждения и торможения выдел 4 типа высшей нервной деятельности. 1. Сильный уравновешенный подвижный тип (сангвиник) – сильная нервная система, уравновешенность возбуждения и торможения, высокая подвижность нервных процессов (быстрая смена состояний нервной системы). 2. Сильный уравновешенный инертный тип (флегматик) – сильная нервная система, уравновешенность возбуждения и торможения, низкая подвижность нервных процессов. 3. Сильный неуравновешенный подвижный тип (холерик) – сильная нервная система, преобладание процессов возбуждения над торможением, высокая подвижность нервных процессов. 4. Слабый неуравновешенный инертный тип (меланхолик) – слабая нервная система (низкая работоспособность нервных клеток), преобладание процессов торможения над возбуждением, низкая подвижность нервных процессов. 89
Эмоции – реакции животных и человека на воздействие внешних и внутренних раздражителей, имеющие ярко выраженную субъективную окраску и охватывающие все виды чувствительности. Различают положительные эмоции – радость, наслаждение, удовольствие – и отрицательные – грусть, печаль, неудовольствие. Эмоциональное возбуждение мобилизирует все имеющиеся у организма резервы. Творчество – процесс создания чего либо нового, часто предполагает, что человек может испытывать недостаточность информации, знаний, умений для достижения цели и решения той или иной проблемы, и именно поэтому ему необходимо создать новые знания, умения, новые объекты и произведения. Творчество проявляется в поиске принципиально нового решения научной или технической проблемы, причем структура мыслительного процесса решения проблем сложна, но неизменно успеху, «озарению» , нахождению нового решения способствует эмоциональная увлеченность проблемой, вера в успех, эмоциональная положительная стимуляция. Научное творчество и особенно творчество в искусстве опирается и на воображение, которое в свою очередь неразрывно связано с эмоциями и чувствами человека. Воображение – психический процесс, заключающийся в создании новых образов (представлений) путем переработки материала восприятий и представлений, полученных в предшествующем опыте. Мечта – также вид творческого воображения, связанного с дознанием 90 желаемого будущего.
Работоспособность – это способность к выполнению работы. С физиологической точки зрения работоспособность определяет возможности организма при выполнении работы, к поддержанию структуры и энергозапасов на заданном уровне. В соответствии с двумя основными типами работ – физической и умственной – различают физическую и умственную работоспособность. Этапы работоспособности: первый этап – врабатывание – приходится, как правило, на первый час (реже на первые два часа) от начала работы, второй этап устойчивой работоспособности – длится последующие 2 3 часа, после чего работоспособность вновь снижается – этап некомпенсированного утомления. Эти три этапа повторяются дважды за трудовой день: до обеденного перерыва и после него. В течение недели также отмечаются те же три этапа. В понедельник человек проходит стадию врабатывания, во вторник, среду и четверг имеет устойчивую работоспособность, а в пятницу и субботу у него развивается утомление. Утомление – возникающее вследствие работы временное ухудшение функционального состояния организма человека, выражающееся в снижении работоспособности, в неспецифических изменениях физиологических функций и в ряде субъективных ощущений, объединенных чувством усталости. После прекращения работы наступает фаза восстановления физиологических и психологических ресурсов организма. Однако не всегда восстановительные процессы проходят нормально и быстро. В состоянии хронического переутомления снижается умственная работоспособность: трудно сосредоточиться, временами наступает забывчивость, 91 замедленность и порой неадекватность мышления.
Скачать презентацию Тольяттинский государственный университет сервиса Институт экологии Волжского бассейна
КСЕ_биология_студентам.ppt