Биология. 1. Биология как наука. Связь биологии с другими науками. Место и задачи биологии в подготовке врача. Новая биология. Термин биология
 Скачать 113.16 Kb.
|
|
1.Биология как наука. Связь биологии с другими науками. Место и задачи биологии в подготовке врача. Новая биология. 1.1. Термин «биология» введен Ж.Б.Ламарком и Тревиранусом в 19 веке. Биоло́гия (греч. βιολογία — βίος, биос, «жизнь»; λόγος, логос, «учение», «наука») — наука о жизни (живой природе), о формах живого, закономерностях существования и развития органического мира. Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой. Большинство биологических наук является дисциплинами с более узкой специализацией. Традиционно они группируются по типам исследуемых организмов(зоология, микробиология и пр) 1.2. Связь биологии с другими науками Биология тесно связана с фундаментальными науками (математикой, физикой, химией), естественными (геологией, географией, почвоведением), общественными (психологией, социологией), прикладными (биотехнологией, бионикой, растениеводством, охраной природы) и входит в комплекс естественных наук, т.е. наук о природе. Биохимия-о хим. реакциях в живых организмах: жиз-ть, рост, развитие. Биофизика-для изучения живых объектов; оригинальные концепции и методы Молекул. Биология-на базе биохимии, биофизики, микробиологии Биоогран. Химия Физико-химическая биология Генная инженерия-создание организмов с заранее созданными св-ми Биоинформатика 1.3 . Место и задачи биологии Важность изучения биологии для медика определяется тем, что биология – это теоретическая основа медицины. Целью пpеподавания биологии является формирование у студентов умения использовать теоретическия знания и практические навыки, полученные при изучении биологии, в своей дальнейшей учебной деятельности. Уметь интерпретировать универсальные биологические явления , основные свойства живого (наследственность, изменчивость, раздражимость, обмен веществ и т.д.) в применении к человеку. Знать эволюционные связи (филогенез органов, возникновение пороков развития). Анализировать закономерности и механизмы нормального онтогенеза и интерпретировать их в отношении к человеку. Владеть основами медико-биологического исследования человека. Интерпретировать явление паразитизма. 1.4. Новая биология -будут созданы гораздо более избирательные лекарства -наступающий фармакологический взрыв означает резкое удлинение сред. Продолжительности жизни, здоровую старость -развитие продовольственной базы(транс гендерные растения, животные, уменьшение потерь от сорняков) 2.Человек как объект биологии. Значение биологического и социального наследства для медицины 2.1. Человек как объект биологии Человек, отличаясь несомненным своеобразием в сравнении с другими живыми формами, тем не менее представляет собой закономерный результат и этап развития жизни на Земле, поэтому само его существование прямо зависит от общебиологических (молекулярных, клеточных, системных) механизмов жизнедеятельности. Связь людей с живой природой не ограничивается рамками исторического родства. Человек был и остается неотъемлемой частью этой природы, влияет на нее и в то же время испытывает на себе влияние окружающей среды. Характер таких двусторонних отношений сказывается на состоянии здоровья человека. Известно, что отличительной чертой природы людей является наличие социальной составляющей, что проявляется в определенной специфике некоторых важных сторон их развития и жизнедеятельности. Вытекающие из указанной специфики особенности, наиболее заметно проявляющиеся в структуре онтогенеза, особенно постнатального (наличие только у людей периода отрочества и юности, отчетливо представленный период старости), на уровне генетико-популяционных процессов (доминирующая роль социальных факторов в определении состава популяций в сравнении с климатогеографическими), в биогеоценозах и биосфере (целенаправленное преобразование природы, очеловечивание среды жизни). 2.2. Значение биологического и социального наследства для медицины На планете среди других существ людям принадлежит уникальное место, что обусловлено приобретением ими в процессе антропогенеза особого качества — социальной сущности. Это означает, что уже не биологические механизмы, а в первую очередь общественное устройство, интеллект, производство, труд обеспечивают выживание, всесветное и даже космическое расселение, благополучие человечества. Социальность, однако, не противопоставляет людей остальной живой природе. Приобретение этого качества указывает лишь на то, что отныне историческое развитие представителей вида Homosapiens, т.е. человечества, подчиняется законам общественного, а не биологического развития. Человечество составляет своеобразный, но неотъемлемый компонент биосферы. Благодаря животному происхождению жизнедеятельность человеческого организма основывается на фундаментальных биологических механизмах, которые составляют его биологическое наследство. Биологическому наследству, формировавшемуся в процессе эволюции жизни, отводится видная роль в патологии человека. Крупный отечественный патолог И. В. Давыдовский писал, что естественность и законность болезней вытекают из основных свойств жизни, а именно из универсального и важнейшего свойства организмов — приспосабливаться к меняющимся условиям внешней среды. По его мнению, полнота такого приспособления и есть полнота здоровья. 3. Развитие понятия жизни на современном этапе. Определение понятия «жизнь». Фундаментальные свойства живого. 3.1. Развитие понятия жизни на современном этапе. Определение понятия «жизнь». Довольно трудно дать полное и однозначное определение понятию жизни, учитывая огромное разнообразие ее проявлений. Аристотель говорил, что жизнь – это «питание, рост и одряхление» организма; А. Л. Лавуазье определял жизнь как «химическую функцию»; Г. Р. Тревиранус считал, что жизнь есть «стойкое единообразие процессов при различии внешних влияний». Понятно, что такие определения не могли удовлетворить ученых, так как не отражали (и не могли отражать) всех свойств живой материи. А. И. Опарин определял жизнь как «особую, очень сложную форму движения материи». Это определение отражает качественное своеобразие жизни, которое нельзя свести к простым химическим или физическим закономерностям. Однако и в этом случае определение носит общий характер и не раскрывает конкретного своеобразия этого движения. Ф. Энгельс в «Диалектике природы» писал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является обмен веществом и энергией с окружающей средой». Итак, жизнь – это макромолекулярная открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, самосохранению и саморегуляции, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии. Согласно данному определению жизнь представляет собой ядро упорядоченности, распространяющееся в менее упорядоченной Вселенной. Жизнь существует в форме открытых систем. Это означает, что любая живая форма не замкнута только на себе, но постоянно обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. 3.2. Свойства живого: Самообновление, которое связано с постоянным обменом веществ и энергии, и в основе которого лежит особенность хранить и использовать биологическую информацию в виде уникальных информационных молекул: белков и нуклеиновых кислот. самовоспроизведение. Обеспечивает преемственность между сменяющимися генерациями биологических систем. саморегуляция. Базируется на совокупности потоков вещества, энергии и информации через живой организм; раздражимость. Связана с передачей информации извне в любую биологическую систему и отражает реакцию этой системы на внешний раздражитель. поддержание гомеостаза — относительного динамического постоянства внутренней среды организма, физико-химических параметров существования системы; структурная организация — определенная упорядоченность, стройность живой системы. Обнаруживается при исследовании не только отдельных живых организмом, но и их совокупностей в связи с окружающей средой — биогеоценозов; адаптация — способность живого организма постоянно приспосабливаться к изменяющимся условиям существования в окружающей среде. В ее основе лежат раздражимость и характерные для нее адекватные ответные реакции; репродукция (воспроизведение). Так как жизнь существует в виде отдельных (дискретных) живых системы (например, клеток), а существование каждой такой системы строго ограничено во времени, поддержание жизни на Земле связано с репродукцией живых систем. На молекулярном уровне воспроизведение осуществляется благодаря матричному синтезу, новые молекулы образуются по программе, заложенной в структуре (матрице) ранее существовавших молекул; наследственность. Обеспечивает преемственность между поколениями организмов (на основе потоков информации). Тесно связана с ауторепродукцией жизни на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях. Благодаря наследственности из поколения в поколение передаются признаки, которые обеспечивают приспособление к среде обитания; изменчивость — свойство, противоположное наследственности. За счет изменчивости живая система приобретает признаки, ранее ей несвойственные. В первую очередь изменчивость связана с ошибками при репродукции: изменения в структуре нуклеиновых кислот приводят к появлению новой наследственной информации. Появляются новые признаки и свойства. Если они полезны для организма в данной среде обитания, то они подхватываются и закрепляются естественным отбором. Создаются новые формы и виды. Таким образом, изменчивость создает предпосылки для видообразования и эволюции; индивидуальное развитие (процесс онтогенеза) — воплощение исходной генетической информации, заложенной в структуре молекул ДНК (т. е. в генотипе), в рабочие структуры организма. В ходе этого процесса проявляется такое свойство, как способность к росту, что выражается в увеличении массы тела и его размеров. Этот процесс базируется на репродукции молекул, размножении, росте и дифференцировке клеток и других структур и др.; филогенетическое развитие (закономерности его установлены Ч. Р. Дарвином). Базируется на прогрессивном размножении, наследственности, борьбе за существование и отборе. дискретность (прерывистость) и в то же время целостность. Жизнь представлена совокупностью отдельных организмов, или особей. Каждый организм, в свою очередь, также дискретен, поскольку состоит из совокупности органов, тканей и клеток. Каждая клетка состоит из органелл, но в то же время автономна. Наследственная информация осуществляется генами, но ни один ген в отдельности не может определять развитие того или иного признака. 5. Вода как первичная среда жизни и её физико-химические свойства. Вода важна для живых организмов по двум причинам: является необходимым компонентом живых клеток для многих организмов она служит еще и средой обитания. Физико-химические свойства воды 1.Молекулы воды обладают высокой полярностью и образуют друг с другом водородные связи. За счет этого имеет бóльшую теплоёмкость и теплоту испарения, высокую температуру кипения и плавления, высокую теплопроводность. Наличие таких качеств позволяет воде активно участвовать в терморегуляции. 2.Вода обладает низкой вязкостью и представляет собой подвижную жидкость. В воде постоянно происходит образование и разрушение большого количества водородных связей, что обусловливает данное свойство. Вследствие высокой текучести вода легко циркулирует по различным полостям организма (кровеносным и лимфатическим сосудам, межклеточным пространствам и т.д.). 3.Вода — хороший растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения и некоторые неионные соединения, например сахара. 4. Эволюционно-обусловленные уровни организации жизни. Проявление главных свойств жизни на различных ее организациях. 1. Молекулярный Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др. 2. Клеточный Клетка - структурная и функциональная единица, а также единица развития всех живых организмов, обитающих на Земле. На клеточном уровне сопрягаются передача информации и превращение веществ и энергии. 3. Тканевый Клетки, имеющие общее происхождение и выполняющие сходные функции, образуют ткани. Выделяют несколько типов животных и растительных тканей, обладающих различными свойствами. 4. Органный Ткани (начиная с кишечнополостных) интегрируются в более крупные функциональные единицы, называемые органами. Внутренние органы характерны для животных; здесь они входят в состав систем органов (дыхательной, нервной и пр.). Например, система органов пищеварения - полость рта, глотка, пищевод, желудок, двенадцатиперстная кишка, тонкая кишка, толстая кишка, заднепроходное отверстие. Подобная специализация, с одной стороны, улучшает работу организма в целом, а с другой - требует повышения степени координации и интеграции различных тканей и органов. 5. Организменный Этот уровень представлен одноклеточными и многоклеточными организмами. Элементарной единицей организменного уровня служит особь, которая рассматривается в развитии - от момента зарождения до прекращения существования - как живая система. Возникают системы органов, специализированных для выполнения различных функций. 6. Популяционно-видовой Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, в которой создается популяция - надорганизменная система. В этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования. Сейчас на Земле насчитывают около 500 тыс. видов растений и около 1,5 млн. видов животных. 7. Биогеоценотический Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и различной сложности организации с факторами среды их обитания. В процессе совместного исторического развития организмов разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые сообщества. 8. Биосферный Биосфера - совокупность всех биогеоценозов, система, охватывающая все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов. 6. Особенности химического состава живых организмов. Биологическое значение химических элементов (биоэлементы, иерархия клеточной организации). 6.1. Особенности химического состава живых организмов Живые организмы содержат те же химические элементы, что и неживая природа. Содержание некоторых элементов больше, их называют макроэлементами: углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера и др. Микроэлементы в организме содержатся в малых количествах, но тоже играют важную роль, например, йод.
Вещества, которые встречаются в неживой природе, называются неорганическими. В состав клеток входят вода (до 80%) и минеральные соли. 6.2. Биологическое значение химических элементов (биоэлементы, иерархия клеточной организации). Важнейшими из них являются белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) и витамины. Органические вещества образуют важнейшие структуры клетки и служат источником энергии. Характерной особенностью многих органических веществ является их полимерная структура. Так, крахмал состоит из большого числа молекул глюкозы. Белки в процессе пищеварения распадаются на аминокислоты. А ДНК несет важнейшую функцию — является хранителем наследственной информации, зашифрованной в виде последовательности нуклеотидов. Эта информация проявляется через структуру белков, которые помимо структурной несут еще одну очень важную функцию — являются катализаторами химических процессов, происходящих в клетке. Жиры не растворяются в воде, поэтому жироподобные вещества входят в состав клеточных мембран. Витамины участвуют в регуляции обмена веществ.
7. Типы клеточной организации. Строение прокариотических и эукариотических клеток. Выделяют два типа клеточной организации: более простой, примитивный – прокариотический и более сложный – эукариотический. Прокариоты — организмы, состоящие из клеток, которые не имеют клеточного ядра или любых мембранных органелл. Это означает, что генетический материал ДНК у прокариот не связан в ядре. Кроме того, ДНК прокариот менее структурирована, чем у эукариот. В прокариотах ДНК одноконтурная. ДНК эукариот организована в хромосомы. Большинство прокариот состоят только из одной клетки (одноклеточные), но есть несколько и многоклеточных. Ученые разделяют прокариот на две группы: бактерии и археи. Типичная клетка прокариота включает: клеточную стенку (состоит из сложного гетерополимерного вещества); плазматическую (клеточную) мембрану; цитоплазму; рибосомы; жгутики и пили; нуклеоид; капсула (если имеется, то состоит из соединений белка и сахара) плазмиды. У прокариот нет ядра, единственная кольцевая молекула ДНК, находящаяся в клетках прокариот и условно называемая бактериальной хромосомой, находится в центре клетки, однако эта молекула ДНК не имеет оболочки и располагается непосредственно в цитоплазме. Снаружи клетки прокариот, так же как и эукариотические клетки, покрыты плазматической мембраной. Строение мембран у двух этих групп организмов одинаковое. Клеточная мембрана прокариот образует многочисленные впячивания внутрь клетки – мезосомы. На них располагаются ферменты, обеспечивающие реакции обмена веществ в прокариотической клетке. Поверх плазматической мембраны клетки прокариот покрыты оболочкой, состоящей из углеводов, напоминающей клеточную стенку растительных клеток. Однако эта стенка образована не клетчаткой, как у растений, а другими полисахаридами – пектином и муреином. В цитоплазме прокариотических клеток нет мембранных органоидов: митохондрий, пластидов, ЭПС, комплекса Гольджи, лизосом. Их функции выполняют складки и впячивания наружной мембраны – мезосомы. В цитоплазме прокариот беспорядочно располагаются мелкие рибосомы. Цитоскелета в прокариотических клетках тоже нет, но иногда встречаются жгутики, которые способствуют передвижению бактерий. На поверхности бактериальной клетки находятся пили – белковые нити, с помощью которых бактерии присоединяются к субстрату или поверхности. Половые пили служат для обмена генетического материала между различными бактериями. Фотосинтезирующие бактерии – цианобактерии, имеют в клетках фотосинтезирующие мембраны или тилакоиды, в которых содержатся пигменты, участвующие в процессе фотосинтеза (Рис. 6), такие как хлорофилл. Эукариоты — живые организмы, клетки которых содержат ядро и мембранные органеллы. Генетический материал у эукариот находится в ядре, а ДНК организована в хромосомы. Эукариотические организмы могут быть одноклеточными и многоклеточными. Все животные являются эукариотами. Также эукариоты включают растения, грибы и простейших. Типичная клетка эукариота включает: плазматическую (клеточную) мембрану; ядрышко; ядро; хромосомы; рибосомы; эндоплазматический ретикулум; аппарат (комплекс) Гольджи; цитоскелет; цитоплазму; лизосомы; центриоль; митохондрии; клеточную стенку (отсутствует в животных клетках, в растительных состоит из целлюлозы). Клетки с ядрами, окруженными ядерной оболочкой с ядерными порами. Это единственная характеристика, которая одновременно необходима и достаточна для определения организма как эукариота. Все существующие эукариоты имеют клетки с ядрами. Митохондрия. Некоторые сохранившиеся эукариоты имеют очень редуцированные остатки митохондрий в своих клетках, в то время как другие представители их линий имеют «типичные» митохондрии. Цитоскелет, содержащий структурные и подвижные компоненты, называемые актиновыми микрофиламентами и микротрубочками. Все существующие эукариоты обладают этими элементами цитоскелета. Жгутики и реснички — это органеллы, связанные с подвижностью клеток. У некоторых сохранившихся эукариот отсутствуют жгутики и/или реснички, но они произошли от предков, которые ими обладали. Хромосомы, каждая из которых состоит из линейной молекулы ДНК, свернутой вокруг основных (щелочных) белков, называемых гистонами. Несколько эукариот с хромосомами, лишенными гистонов, явно произошли от предков, у которых они были. Митоз — процесс ядерного деления, при котором реплицированные хромосомы делятся и разделяются с использованием элементов цитоскелета. Митоз повсеместно присутствует у эукариот. Деление — процесс генетической рекомбинации, уникальный для эукариот. При делении диплоидные ядра на одной стадии жизненного цикла подвергаются мейозу с образованием гаплоидных ядер и последующей кариогамии — стадии, на которой два гаплоидных ядра сливаются вместе, образуя диплоидное ядро зиготы. Представители всех основных линий имеют клеточные стенки. Различные формы: в зависимости от среды, в которой находится клетка, она может быть сферической, кубической, пирамидальной, плоской или звездчатой. Различные размеры: эукариотические клетки могут измерять от 10 мкм (например, лимфоциты) до 100 мкм (например, адипоциты или жировые клетки). Наличие органелл: внутри эукариотической клетки находятся структуры, специализирующиеся на определенных функциях, включая хлоропласты, аппарат Гольджи, митохондрии, везикулы и лизосомы. 8. Гипотезы происхождения эукариотических клеток(симбиотическая, инвагинационная). Современные доказательства симбиотического происхождения эукариот. 8.1. Гипотезы происхождения эукариотических клеток Существует несколько гипотез о путях возникновения эукариотических клеток. Наиболее популярная — симбиотическая гипотеза (симбиогенез). Согласно ей, эукариоты произошли в результате объединения в одной клетке разных прокариот, которые сначала вступили в симбиоз, а затем, все более специализируясь, стали органоидами единого организма-клетки. Как минимум симбиотическое происхождение имеют митохондрии и хлоропласты (пластиды вообще). Произошли они от бактериальных симбионтов. Клеткой-хозяином мог быть относительно крупный анаэробный гетеротрофный прокариот, похожий на амебу. В отличие от других, он мог приобрести способность питаться путем фаго- и пиноцитоза, что позволяло ему захватывать других прокариот. Они не все переваривались, а снабжали хозяина продуктами своей жизнедеятельности). В свою очередь, получали от него питательные вещества. Митохондрии произошли от аэробных бактерий и позволили клетке-хозяину перейти к аэробному дыханию, которое не только намного эффективней, но и облегчает существование в атмосфере, содержащей достаточно большое количество кислорода. В такой среде аэробные организмы получают преимущество над анаэробными. Позже в некоторых клетках поселились похожие на ныне живущих синезеленых водорослей (цианобактерий) древние прокариоты. Они стали хлоропластами, дав начало эволюционной ветви растений. Кроме митохондрий и пластид симбиотическое происхождение могут иметь жгутики эукариот. В них превратились симбионты-бактерии наподобие современных спирохет, имеющих жгутик. Считается, что в последствии из базальных тел жгутиков произошли центриоли, столь важные структуры для механизма клеточного деления эукариот. Эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, пузырьки и вакуоли могли произойти от наружной мембраны ядерной оболочки. С другой точки зрения, некоторые из перечисленных органелл могли возникнуть путем упрощения митохондрий или пластид. Во многом неясным остается вопрос происхождения ядра. Могло ли оно также образоваться из прокариота-симбионта? Количество ДНК в ядре современных эукариот во много раз превышает его количество в митохондриях и хлоропластах. Возможно часть генетической информации последних со временем переместилась в ядро. Также в процессе эволюции происходило дальнейшее увеличение размера ядерного генома. Кроме того в симбиотической гипотезе происхождения эукариот не все так однозначно с клеткой-хозяином. Им мог и не быть один вид прокариот. Используя методы сравнения геномов, ученые делают вывод, что клетка-хозяин близок к археям, при этом сочетает в себе признаки архей и ряда неродственных групп бактерий. Отсюда можно сделать вывод, что появление эукариот происходило в сложном сообществе прокариот. При этом процесс скорее всего начался с метаногенной археи, вступавшей в симбиоз с другими прокариотами, что было вызвано необходимостью обитания в кислородной среде. Появление фагоцитоза способствовало притоку чужих генов, а ядро образовалось для защиты генетического материала. Молекулярный анализ показал, что различные белки эукариот происходят от разных групп прокариот. |