1. Определение науки биологии. Ее предмет, методы изучения. Определение сущности жизни. Термин биология
 Скачать 0.66 Mb.
|
|
1. Определение науки биологии. Ее предмет, методы изучения. Определение сущности жизни. Термин «биология» образуется из двух греческих слов (bios – жизнь и logos – учение). Термин был введен в 1802 году двумя естествоиспытателями – Ж.Б.Ламарком и Г.Р.Тревиранусом, независимо друг от друга. Биология изучает общие закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие. Биология – комплексная наука. Разделы науки биологии классифицируются по следующим направлениям: 1) изучению систематических групп (по объектам исследования). Например, зоология, ботаника, вирусология.В пределах этих наук имеются узкие направления (или дисциплины). Например, в зоологии выделяют протозоологию, гельминтологию, энтомологию и др. 2) изучению разных уровней организации живого: молекулярная биология, гистология и др. 3) свойствам и проявлениям жизни отдельных организмов. Например, физиология, генетика, экология. 4) связям с другими науками (в результате интеграции наук). Это биохимия, биофизика, биотехнология, радиобиология и др. Методы изучения биологии Основными методами, которые используются в биологических науках, являются: 1)наблюдение и описание – самый старый (традиционный) метод биологии. Этот метод широко используется и в наше время (в зоологии, ботанике, цитологии, экологии и др.) 2)сравнение, т.е. сравнительный метод дает возможность найти сходства и различия, общие закономерности в строении организмов. 3)опыт или эксперимент. Например, опыты Г.Менделя или работы И.П.Павлова в физиологии. 4)моделирование – создание определенной модели или процессов и их изучения. Например, моделирование условий и процессов (недоступных наблюдению) происхождения жизни. 5)исторический метод – изучение закономерности появления и развития организмов Определение жизни: На основании свойств живого ученые пытаются дать определение понятию «жизнь». Современному состоянию развития биологии лучше всего соответствует определение жизни, данное ученым – биофизиком М.В.Волькенштейном: «Живые тела представляют собой открытые саморегулирующиеся, самовоспроизводящиеся системы, построенные из полимеров – белков и нуклеиновых кислот и поддерживающие свое существование в результате обмена веществ и энергии с окружающей средой». В это определение входят признаки живого. Каждая клетка и организм в целом являются системой, т.е. представляют собой совокупность взаимодействующих, упорядоченных структур (органоидов, клеток тканей, органов). Живые существа – это открытые системы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с внешней средой. Живые существа осуществляют непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой (поглощение и выделение, ассимиляция и диссимиляция). 2. Основные свойство живых организмов. Уровни организации живого. Живые существа отличаются от неживых тел целым рядом свойств. К основным свойствам живого относятся: Специфическая организация. Живые организмы обладают необходимыми структурами, обеспечивающими их жизнедеятельность. Специфическая организация живых существ проявляется и в особенности химического состава. Из химических элементов большая доля приходится на кислород, углерод, водород, азот. В сумме они составляют более 98% химического состава. Эти элементы образуют в живых организмах сложные органические соединения – белки, жиры, нуклеиновые кислоты, углеводы, которые не встречаются в неживой природе. Обмен веществ и энергии. Организмы постоянно совершают обмен веществ и энергии с окружающей средой – это обязательное условие существования. Обмен веществ и энергии слагается из 2х процессов: а) синтеза или ассимиляции, или пластического обмен (с поглощением энергии). б) распада или диссимиляции, или энергетического обмена (с выделением энергии) Гомеостаз – поддержание постоянства внутренней среды. В живых существах протекают сложные саморегулирующиеся процессы, которые идут в строго определенном порядке и направлены на поддержание постоянства внутренней среды (например, на постоянство химического состава). При этом организм находится в состоянии динамического равновесия (т.е. подвижного равновесия), что важно при существовании в меняющихся условиях среды. Размножение. Размножение – свойство организмов воспроизводить себе подобных. Каждое живое существо имеет ограниченный срок жизни, но, оставляя после себя потомство, обеспечивает непрерывность и приемственность жизни. Способность к развитию – изменение объектов живой природы. Индивидуальное развитие (онтогенез) – развитие особи в большинстве случаев начинается от зиготы (оплодотворенной яйцеклетки) или от деления материнской клетки до конца жизни. В ходе онтогенеза происходит рост, дифференцировка клеток, тканей, органов, взаимодействие отдельных частей. Продолжительность жизни особей ограничивается процессами старения, приводящими к смерти. Филогенез – историческое развитие мира живых организмов. Филогенез – это необратимое и направленное развитие живой природы, которое сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом исторического развития является разнообразие живых существ. Раздражимость. Раздражимость – способность организма отвечать на воздействия определенными реакциями. Формой проявления раздражимости является движение. У растений – тропизм (например, изменение положения листьев в пространстве из-за освещенности – фототропизм). У одноклеточных животных – таксисы. Реакции многоклеточных на раздражение осуществляются с помощью нервной системы и называются рефлексами. Наследственность. Наследственность – свойство организмов передавать из поколения в поколение характерные признаки вида с помощью носителей наследственной информации, молекул ДНК и РНК. Изменчивость. Изменчивость – это свойство организмов приобретать новые признаки. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора. Уровни организации живых существ Жизнь на Земле представляет собой целостную систему, состоящую из различных структурных уровней организации биологических существ. Выделяют несколько основных уровней организации (разделение имеет условный характер) Молекулярно генетический. Биология начинается с молекулярного уровня, т.к. атомный уровень не несет следов биологической специфичности. Этот уровень исследует молекулы ДНК, РНК, белки, гены и их роль в хранении и передаче генетической информации, в обмене веществ и превращении энергии. Биология изучает законы, характерные для этого уровня. Клеточный. Структурной, функциональной и генетической единицей живых существ является клетка. Вирусы, будучи неклеточной формой организации живого, проявляют свои свойства как живые организмы только внедрившись в клетки. На клеточном уровне изучают строение клеток и клеточных компонентов, самовоспроизведение, реализацию наследственной информации, обмен веществ и энергии, происходящих на уровне клетки. Организменный. Структурной единицей на этом уровне служит организм, особь. Организм – самостоятельно существующая в среде система. На этом уровне протекают процессы онтогенеза. В ходе онтогенеза реализуется наследственная информация в определенных условиях внешней среды, т.е. формируется фенотип организма данного биологического вида. Популяционно-видовой. Элементарной единицей вида является популяция. На этом уровне изучается обмен генетической информации при скрещивании, изменения генетического состава популяций, факторы, влияющие на динамику генетического состава популяций, проблемы сохранения исчезающего вида. Экосистемный. Структурной единицей этого уровня являются экосистемы, под которыми понимаются участки земной поверхности с определенными природно-климатическими условиями и связанные с ними сообщества микроорганизмов, животных и растений, которые образуют неразделимый взаимообусловленный комплекс. Этот уровень изучает круговорот веществ и поток энергии, которые связаны с жизнедеятельностью всех живых организмов. Экосистемы составляют биосферу - область распространения жизни на Земле. Выделяют социальный уровень, характерный для человека. Все уровни организации тесно объединены между собой, что свидетельствует о целостности живой природы. Без биологических процессов, которые осуществляются на этих уровнях, невозможно существование жизни на Земле. Человек и все человечество – составляющая часть биосферы. Здоровье человека зависит от состояния биосферы, от умения приспосабливаться к меняющимся условиям среды. Если эта способность проявляется недостаточно, то могут возникнуть нарушения, которые затрагивают различные уровни жизни (клеточный, организменный). 3. Клеточная теория этапы развития современное положение клеточной теории. В 1665г. Р.Гук впервые обнаружил растительные клетки. В 1674г. А.Левенгук открыл животную клетку. В 1839г. Т.Шванн и М.Шлейден сформулировали клеточную теорию. Основным положением клеточной теории было то, что клетка является структурной и функциональной основой живых систем. Но они ошибочно считали, что клетки образуются из бесструктурного вещества. В 1859г. Р.Вирхов доказал, что новые клетки образуются лишь путем деления предшествующих. Основные положения клеточной теории: 1)Клетка является структурной и функциональной единицей всего живого. Все живые организмы состоят из клеток. 2)Все клетки в основном сходны по химическому составу и обменным процессам. 3)Новые клетки образуются путем деления уже существующих. 4)Все клетки одинаковым образом хранят и реализуют наследственную информацию. 5)Жизнедеятельность многоклеточного организма в целом обусловлена взаимодействием составляющих его клеток. 4. Возникновение клеточной организации в процессе эволюции живого. 1.Химический. 2.Биологический. Химический этап начался около 4,5 млрд лет назад. Под действием ультрафиолетового излучения, радиации, грозовых разрядов (источники энергии) происходило образование сначала простых химических соединений – мономеров, а затем более сложных – полимеров и их комплексов (углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот). Биологический этап образования клеток начинается с появления пробионтов – обособленных сложных систем, способных к самовоспроизведению, саморегуляции и естественному отбору. Пробионты появились 3-3,8 млрд. лет назад. От пробионтов произошли первые прокариотические клетки – бактерии. Эукариотические клетки произошли от прокариот (1-1,4 млрд. лет назад) двумя путями: 1)Путем симбиоза нескольких прокариотических клеток – это симбиотическая гипотеза; 2)Путем инвагинации клеточной мембраны. Суть инвагинационной гипотезы заключается в том, что прокариотическая клетка содержала несколько геномов, прикрепленных к клеточной оболочке. Затем происходила инвагинация – впячивание, отшнуровка клеточной мембраны, и эти геномы превращались в митохондрии, хлоропласты, ядро. Дифференциация и специализация клеток. Дифференциация – это формирование различных типов клеток и тканей в ходе развития многоклеточного организма. Одна из гипотез связывает дифференцировку с экспрессией генов в процессе индивидуального развития. Экспрессия – процесс включения тех или иных генов в работу, который создает условия для направленного синтеза веществ. Поэтому происходит развитие и специализация тканей в том или ином направлении. 5. Этапы эволюции клетки. Гипотезы происхождения эукариотических клетки 1.Химический. 2.Биологический. Химический этап начался около 4,5 млрд лет назад. Под действием ультрафиолетового излучения, радиации, грозовых разрядов (источники энергии) происходило образование сначала простых химических соединений – мономеров, а затем более сложных – полимеров и их комплексов (углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот). Биологический этап образования клеток начинается с появления пробионтов – обособленных сложных систем, способных к самовоспроизведению, саморегуляции и естественному отбору. Пробионты появились 3-3,8 млрд. лет назад. От пробионтов произошли первые прокариотические клетки – бактерии. Эукариотические клетки произошли от прокариот (1-1,4 млрд. лет назад) двумя путями: 1)Путем симбиоза нескольких прокариотических клеток – это симбиотическая гипотеза; 2)Путем инвагинации клеточной мембраны. Суть инвагинационной гипотезы заключается в том, что прокариотическая клетка содержала несколько геномов, прикрепленных к клеточной оболочке. Затем происходила инвагинация – впячивание, отшнуровка клеточной мембраны, и эти геномы превращались в митохондрии, хлоропласты, ядро. Дифференциация и специализация клеток. Дифференциация – это формирование различных типов клеток и тканей в ходе развития многоклеточного организма. Одна из гипотез связывает дифференцировку с экспрессией генов в процессе индивидуального развития. Экспрессия – процесс включения тех или иных генов в работу, который создает условия для направленного синтеза веществ. Поэтому происходит развитие и специализация тканей в том или ином направлении. 6. Клетка как открытая система. Организация потоков веществ энергии и информации в клетки. По строению выделяют 2 типа клеток: - прокариоты - эукариоты К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Прокариоты от эукариот отличаются следующим: у них нет мембранных органелл, имеющихся в эукариотической клетке (митохондрий, эндоплазматической сети, лизосом, комплекса Гольджи, хлоропластов). Самое же важное отличие заключается в том, что у них нет окруженного мембраной ядра. ДНК прокариот представлена одной свернутой кольцевой молекулой. У прокариот отсутствуют и центриоли клеточного центра, поэтому они никогда не делятся митозом. Для них характерен амитоз – прямое быстрое деление. Эукариотические клетки – это клетки одноклеточных и многоклеточных организмов. Они состоят из трех главных составных частей: - клеточной мембраны, окружающей клетку и отделяющей ее от внешней среды; - цитоплазмы, содержащей воду, минеральные соли, органические соединения, органеллы и включения; - ядра, в котором находится генетический материал клетки. 7. Элементарный химический состав живых систем. Микроэлементы и их значение. Вода и неорганические вещества, их роль в клетки. Вода необходима для осуществления жизненных процессов в клетке. Ее основные функции следующие: 1. Универсальный растворитель. 2. Среда, в которой протекают биохимические реакции. 3. Определяет физиологические свойства клетки (ее упругость, объем). 4. Участвует в химических реакциях. 5. Поддерживает тепловое равновесие клетки и организма в целом благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности. 6. Основное средство для транспорта веществ. Минеральные вещества клетки находятся в виде ионов. Наиболее важные из них катионы - это K+ , Na+, Ca++, Mg++, анионы - это Сl–, НСО3–, Н2РО4–. Концентрация ионов в клетке и окружающей ее среде неодинаковая. Например, содержание калия в клетках в десятки раз выше, чем в межклеточном пространстве. Катионов натрия, наоборот, в 10 раз меньше в клетке, чем вне ее. Снижение концентрации К+ в клетке приводит к уменьшению в ней воды, количество которой возрастает в межклеточном пространстве тем больше, чем выше в межклеточной жидкости концентрация Na+. Уменьшение катионов натрия в межклеточном пространстве приводит к уменьшению в нем содержания воды. Неравномерное распределение ионов калия и натрия с наружной и внутренней стороны мембран нервных и мышечных клеток обеспечивает возможность возникновения и распространения электрических импульсов. Анионы слабых кислот внутри клетки способствуют сохранению определенной концентрации водородных ионов (рН). В клетке поддерживается слабощелочная реакция (рН=7,2). 0РГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА Органические соединения состоят из многих повторяющихся элементов (мономеров) и представляют собой крупные молекулы, называемые полимерами. К органическим полимерным молекулам относят белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. 8. Структура и функции белков. Белки – высокомолекулярные полимерные органические вещества, определя-ющие структуру и жизнедеятельность клетки и организма в целом. Структурной единицей, мономером их биополимерной молекулы является аминокислота. В образовании белков принимают участие 20 аминокислот. В состав молекулы каждого белка входят определенные аминокислоты в свойственном этому белку количественном соотношении и порядке расположения в полипептидной цепи. В состав аминокислот входят: NH2 - аминокислотная группа, сдающая основными свойствами; СООН - карбоксильная группа, имеет кислотные свойства. Аминокислоты отличаются друг от друга своими радикалами – R. Аминокислоты – амфотерные соединения, соединяющиеся друг с другом в молекуле белка с помощью пептидных связей. Есть первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Порядок, количество и качество аминокислот, входящих в состав молекулы белка, определяют его первичную структуру (например, инсулин). Белки первичной структуры могут с помощью водородных связей соединяться в спираль и образовывать вторичную структуру (например, кератин). Полипептидные цепи, скручиваясь определенным образом в компактную структуру, образуют глобулу (шар), представляющую собой третичную структуру белка. Большинство белков имеют третичную структуру. Аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки, имеющие глобулярную структуру, объединяются вместе и формируют четвертичную структуру (например, гемоглобин). Замена одной аминокислоты приводит к изменению свойств белка. При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов сложные белковые молекулы разрушаются. Это явление называется денатурацией. При улучшении условий денатурированный белок способен восстановить свою структуру вновь, если не разрушается его первичная структура. Этот процесс называется ре- натурацией. Белки отличаются видовой специфичностью. Каждый вид животных имеет свои белки. В одном и том же организме каждая ткань имеет свои белки — это тканевая специфичность. Организмы характеризуются также индивидуальной специфичностью белков. Белки бывают простые и сложные. Простые состоят из аминокислот, например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин и др. В состав сложных белков, кроме аминокислот, входят и другие органические соединения, например, жиры, углеводы, образуя липопротеиды, гликопротеиды и другие. Белки выполняют следующие функции: • ферментативную (например, амилаза, расщепляет углеводы); • структурную (например, входят в состав мембран клетки); • рецепторную (например, родопсин, способствует лучшему зрению); • транспортную (например, гемоглобин, переносит кислород или диоксид углерода); • защитную (например, иммуноглобулины, участвуют в образовании иммунитета); • двигательную (например, актин, миозин, участвуют в сокращении мышечных волокон); • гормональную (например, инсулин, превращает глюкозу в гликоген); • энергетическую (при расщеплении 1 г белка выделяется 4,2 ккал энергии). 9. |