Биология экзамен. 1 Раздел I. Общая характеристика жизни

• Название: 1 Раздел I. Общая характеристика жизни
• Анкор: Биология экзамен
• Дата: 15.10.2020
• Размер: 0.75 Mb.
• Имя файла: moi.docx
• Тип: Документы; #143182
• страница: 1 из 14

1.1. Раздел I. Общая характеристика жизни
1. Определение «жизнь» с позиций системного подхода. Критика идеалистических и метафизических представлений о сущности жизни. Фундаментальные свойства живого.

Жизнь-макромолекулярная открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии. Жизнь, согласно этому определению представляет собой ядро упорядоченности, распространяющееся в менее упорядоченной Вселенной. Ф. Энгельс рассматривал жизнь не только как форму движения материи, но и показал, что эта материя белковой природы. Вслед за Энгельсом Э.Шредингер и Л.Бауэр и др. устанавливают характерные особенности живого:

• 
  Упорядоченность
  
• 
  Компактность
  
• 
  Системность
  

Современная биология развивает изучение этих свойств живого.

Фундаментальными свойствами живого являются: Самообновление, связанное с потоком вещества и энергии; самовоспроизведение, обеспечивающее преемственность между поколениями клеток и организмов, связанное с потоком информации; саморегуляция, базирующаяся на потоках веществ, энергии и информации. Основные признаки жизни: обмен веществ и энергии, раздражимость, репродукция, наследственность, изменчивость, индивидуальное и историческое развитие, дискретность и целостность, гомеостаз.

Свойства живых систем

• 
  Единство химического состава,Дискретность и целостность,Обмен веществ , энергии и информации,Упорядоченность в пространстве и во времени,Самовоспроизведение и самообновление,Наследственность и изменчивость,Рост и развитие,Раздражимость и движение,Хиральность биополимеров
  

1. Единство химического состава.Хотя в состав живых систем входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В живых организмах – 98% химического состава приходится на шесть элементов: кислород (–62%), углерод (–20%), водород (–10%), азот (–3%), кальций (–2,5%), фосфор (–1,0%). Кроме того, живые системы содержат совокупность сложных полимеров, в основном белки, нуклеиновые кислоты, ферменты и т.д., которые неживым системам не присущи.

2. Открытость живых систем. Живые системы – открытые системы. Живые системы используют внешние источники энергии в виде пищи, света и т.п. Через них проходят потоки веществ и энергии, благодаря чему в системах осуществляется обмен веществ – метаболизм. Основа метаболизма – анаболизм (ассимиляция), то есть синтез веществ, и катаболизм (диссимиляция), то есть распад сложных веществ на простые с выделением энергии, которая используется для биосинтеза.

3. Живые системы – самоуправляющиеся, саморегулирующиеся, самоорганизующиеся системы.

Саморегуляция – свойство живых систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном уровне те или иные физиологические (или другие) показатели системы.Самоорганизация – свойство живой системы приспособляться к изменяющимся условиям за счет изменения структуры своей системы управления. При саморегуляции и самоорганизации управляющие факторы воздействуют на систему не извне, а возникают в ней самой в процессе переработки информации, которой живая система обменивается с внешней средой. Это означает, что живые системы – самоуправляющиеся системы.

4. Живые системы – самовоспроизводящиеся системы. Живые системы существуют конечное время. Поддержание жизни связано с самовоспроизведением, благодаря чему живое существо воспроизводит себе подобных.

5. Изменчивость живых систем. Изменчивость связана с приобретением организмом новых признаков и свойств. Это явление противоположно наследственности и играет роль в процессе отбора организмов, наиболее приспособленных к конкретным условиям.

6. Способность к росту и развитию. Рост – увеличение в размерах и массе с сохранением общих черт строения; рост сопровождается развитием, то есть возникновением новых черт и качеств. Развитие может быть индивидуальным (онтогенез), когда последовательно проявляются все свойства организма, и историческим, которое сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением живой системы (филогенез).

7. Раздражимость – неотъемлемая черта всего живого. Раздражимость связана с передачей информации из внешней среды к живой системе и проявляется в виде реакций системы на внешние воздействия.

8. Целостность и дискретность. Живая система дискретна, так как состоит из отдельных, но взаимодействующих между собой частей, которые в свою очередь также являются живыми системами. Например: организм состоит из клеток, являющихся живыми системами; биоценоз состоит из совокупностей различных видов, которые также являются живыми системами. 
С дискретностью связаны различные уровни организации живых систем, о чем будет сказано ниже. Вместе с тем живая система целостна, поскольку входящие в нее элементы обеспечивают выполнение своих функций не самостоятельно, а во взаимосвязи с другими элементами системы.

9. Обмен веществ и энергии. Важный признак живых систем – использование внешних источников энергии в виде пищи, света и др. Через живые системы проходят потоки веществ и энергии, вот почему они открытые. Основу обмена веществ состовляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции, т.е. процессы синтеза веществ в организме, и диссимиляции, в результате которых сложные вещества и соединения распадаются на простые и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава всех частей организма. 

2. Иерархические уровни организации жизни. Элементарные единицы, элементарные явления и проявления главных свойств жизни на различных уровнях ее организации.
Иерархической называется система, в которой части, или элементы, расположены в порядке от низшего к высшему.

Уровни организации

Элементарная единица (ЭЕ) - это структура или объект

Элементарное явление (ЭЯ) – это закономерные изменения ЭЕ в процессе сохранения и развития Жизни

Молекулярно-генетический:

ЭЕ – ген, элементарное явление ЭЯ – конвариантная репликация, или самовоспроизведение с возникновением некоторых изменений матрицы;

• 
  Клеточный: ЭЕ - клетка, ЭЯ – клеточный метаболизм (потоки вещества, энергии, информации);
  

- Тканевой: ЭЕ – совокупность сходных клеток, ЭЯ- становление структуры и функционирования в едином организме;

Органный: ЭЕ – органы, ЭЯ- становление их структуры и функции;

- Организменный (онтогенетический): ЭЕ – особь, ЭЯ – закономерности изменения особи в онтогенезе (рост, дифференциация частей, интеграция);

• 
  Популяционно-видовой: ЭЕ – популяция, ЭЯ – эволюционно-значимые изменения генофонда популяции за счет ЭЭФ);
  

- БГЦенотический: ЭЕ – БГЦ, ЭЯ- вещественно-энергетический круговорот;

• 
  Биосферный:
  

ЭЕ – живая оболочка земли, ЭЯ- все явления жизни, активно приобретаемые живыми организмами.

Уровни организации отражают:

-важнейшие биологические явления;

-само существование жизни;

-общую структуру эволюционного процесса

1) молекулярно-генетический уровень. ЭЕ представлена ге­ном. Ген — это участок молекулы ДНК (а у некоторых вирусов - молекулы РНК), который ответствен за формирование ка­кого — либо одного признака. Информация, заложенная в нуклеиновых кислотах, реализуется посредством матричного синтеза белков;

2) субклеточный уровень. ЭЕ представлена какой-либо суб­клеточной структурой, т. е. органеллой, которая выполняет свойственные ей функции и вносит свой вклад в работу клет­ки в целом;

3) клеточный уровень. ЭЕ — это клетка, которая является самостоятельно функционирующей элементарной биологиче­ской системой. Только на этом уровне возможны реализация генетической информации и процессы биосинтеза. Для одно­клеточных организмов этот уровень совпадает с организменным. ЭЯ — это реакции клеточного метаболизма, составляю­щие основу потоков энергии, информации и вещества;

4) тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань (ЭЕ). Уровень возник с появлением многоклеточных организмов с более или менее дифференцированными тканями. Ткань функционирует как единое целое и обладает свойствами живого;

5) органный уровень. Образован совместно с функциони­рующими клетками, относящимися к разным тканям (ЭЕ). Всего четыре основные ткани входят в состав органов много­клеточных организмов, шесть основных тканей образуют ор­ганы растений;

6) организменный (онтогенетический) уровень. ЭЕ — это особь в ее развитии от момента рождения до прекращения ее существования в качестве живой системы. ЭЯ — это законо­мерные изменения организма в процессе индивидуального раз­вития (онтогенеза). В процессе онтогенеза в определенных условиях среды происходит воплощение наследственной ин­формации в биологические структуры, т. е. на основе гено­типа особи формируется ее фенотип;

7) популяционно-видовой уровень. ЭЕ — это популяция, т. е. совокупность особей (организмов) одного вида, населяю­щих одну территорию и свободно скрещивающихся между со­бой. Популяция обладает генофондом, т. е. совокупностью генотипов всех особей. Воздействие на генофонд элементар­ных эволюционных факторов (мутаций, кол***ий числен­ности особей, естественного отбора) приводит к эволюционно значимым изменениям (ЭЯ);

8) биоценотический (экосистемный) уровень. ЭЕ — био­ценоз, т. е. исторически сложившееся устойчивое сообщество популяций разных видов, связанных между собой и с окружаю­щей неживой природой обменом веществ, энергии и информа­ции (круговоротами), которые и представляют собой ЭЯ;

9) биосферный (глобальный) уровень. ЭЕ — биосфера (область распространения жизни на Земле), т. е. единый плане­тарный комплекс биогеоценозов, различных по видовому соста­ву и характеристике абиотической (неживой) части. Биогео­ценозы обусловливают все процессы, протекающие в биосфере;

10) ноосферный уровень. Это новое понятие было сформулирова­но академиком В. И. Вернадским. Он основал учение о ноо­сфере как сфере разума. Это составная часть биосферы, кото­рая изменена благодаря деятельности человека.
3.Биологические (живые) системы – особый этап развития и формы движения материи. Общая теория систем, теория биологических систем. Организация открытых биологических систем в пространстве и во времени (хронобиология).

. Общая теория систем (теория систем) — научная и методологическая концепция исследования объектов, представляющих собой системы. Она тесно связана ссистемным подходом и является конкретизацией его принципов и методов

Первый вариант общей теории систем был выдвинут Людвигом фон Берталанфи

Хронобиология (от др.-греч. χρόνος — «время») — область науки, которая исследует периодические (циклические) феномены, протекающие у живых организмов во времени, и их адаптацию к солнечным и лунным ритмам^[1]. Эти циклы именуют биологические ритмы (БР)

Синхронизация уровня и длительности биологической активности с внешними факторами у живых организмов происходят при многих существенных биологических процессах. Это происходит

• 
  у животных (еда, сон, спаривание, зимовка, миграция, клеточная регенерация, и т. д.),
  
• 
  у растений (движения листа, фотосинтез и т. д.).
  

Наиболее важный ритм в хронобиологии — суточный ритм, примерно 24-часовой цикл физиологических процессов у растений и животных. (Слово «циркадный» приходит из латыни, — «circa» означает «около», «примерно», и «dies» — «день», «сутки», то есть «циркадианный» или «циркадный» — это «околосуточный»).

Есть и другие важные циклы:

• 
  инфрадианные, более долгосрочные, такие как ежегодные циклы миграции или воспроизводства, выявленные у некоторых животных, или человеческий менструальный цикл.
  

ультрадианные ритмы, краткие циклы, такие как 90-минутный цикл REM-сна у людей, 4-часовой назальный цикл или 3-часовой цикл продуцирования гормона роста

1.2. Раздел II. Клеточный и молекулярно-генетический уровни

организации жизни
1. Клеточная теория. Современное состояние клеточной теории, ее значение для биологии и медицины. Структурно-функциональная организация про- и эукариотических клеток. Общие черты организации и отличительные особенности.
1838-1839гг Т.Шванн,М.Шлейден)

1. Клетки растений и животных принципиально сходны между собой

2.Каждая клетка функционирует независимо от других, но вместе со всеми

3.Все клетки возникают из бесструктурного вещества неживой материи.

Рудольф Вирхов (патологоанатом) «Целлюлярная патология» (1859) внес существенные уточнения в последнее положение клеточной теории:

-все клетки возникают из клеток путем их деления ( omnia cellulae e cellula )

Клетка – это обособленная, наименьшая по размерам структура, которой присуща вся совокупность свойств жизни и которая может во внешних условиях поддерживать эти свойства в себе самой и передавать их в ряду поколений.

Независимо от индивидуальных структурно-функциональных Особенностей все клетки одинаковым образом:

1. Хранят биологическую информацию

2. Редуплицируют генетический материал

3. Используют генетическую информацию для осуществления своих функций на основе синтеза белка

4. Хранят и переносят энергию

5. Превращают энергию в работу

6. Регулируют обмен веществ.

В природе существует значительное разнообразие клеток, различающихся по размерам, форме, химическим особенностям. Число же главных типов клеточной организации ограничено двумя. Выделяют прокариотический и эукариотический типы с подразделением второго на подтип, характерный для простейших организмов, и подтип, характерный для многоклеточных.

Клеткам прокариоттеского типа (рис. 2.1) свойственны малые размеры (не более 0,5—3,0 мкм в диаметре или по длине), отсутствие обособленного ядра, так что генетический материал в виде ДНК не отграничен от цитоплазмы оболочкой. В клетке отсутствует развитая система мембран. Генетический аппарат представлен ДНК единственной кольцевой хромосомы, которая лишена основных белков — гистонов (гистоны являются белками клеточных ядер). Благодаря значительному количеству диаминокислот аргинина и лизина гистоны имеют щелочной характер.

Различия прокариотических и эукариотических клеток по наличию гистонов указывают на разные механизмы регуляции функции генетического материала. В прокариотических клетках отсутствует клеточный центр. Не типичны внутриклеточные перемещения цитоплазмы и амебоидное движение. Время, необходимое для образования двух дочерних клеток из материнской (время генерации), сравнительно мало и исчисляется десятками минут. К прокариотическому типу клеток относятся бактерии и синезеленые водоросли.

Эукариотический тип клеточной организации представлен двумя подтипами. Особенностью организмов простейших (рис. 2.2) является то, что они (исключая колониальные формы) соответствуют в структурном отношении уровню одной клетки, а в физиологическом — полноценной особи. В связи с этим одной из черт клеток части простейших является наличие в цитоплазме миниатюрных образований, выполняющих на клеточном уровне функции жизненно важных органов многоклеточного организма. Таковы (например, у инфузорий) цитостом, цитофарингс и порошица, аналогичные пищеварительной системе, и сократительные вакуоли, аналогичные выделительной системе.

В традиционном изложении клетку растительного или животного организма описывают как объект, отграниченный оболочкой, в котором выделяют ядро и цитоплазму. В ядре наряду с оболочкой и ядерным соком обнаруживаются ядрышко и хроматин. Цитоплазма представлена ее основным веществом (матриксом, гиалоплазмой), в котором распределены включения и органеллы.
2. Закономерности существования клетки во времени. Жизненный цикл клетки, его варианты. Основное содержание и значение периодов жизненного цикла клетки.

. Закономерные изменения структурно-функциональных характеристик клетки во времени составляют содержание жизненного цикла клетки (клеточного цикла). Клеточный цикл — это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.

Важным компонентом клеточного цикла является митотический (пролиферативный) цикл —комплекс взаимосвязанных и согласованных во времени событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Кроме того, в жизненный цикл включается период выполнения клеткой многоклеточного организма специфических функций, а также периоды покоя. В периоды покоя ближайшая судьба клетки не определена: она может либо начать подготовку к митозу, либо приступить к специализации в определенном функциональном направлении (рис. 2.10).

Продолжительность митотического цикла для большинства клеток составляет от 10 до 50 ч. Длительность цикла регулируется путем изменения продолжительности всех его периодов. У млекопитающих время митоза составляет 1—1,5 ч, 02-периода интерфазы —2—5 ч, S-периода интерфазы — 6—10 ч.

Биологическое значение митотического цикла состоит в том, что он обеспечивает преемственность хромосом в ряду клеточных поколений, образование клеток, равноценных по объему и содержанию наследственной информации. Таким образом, цикл является всеобщим механизмом воспроизведения клеточной организации эукариотического типа в индивидуальном развитии.

3. Химическая организация генетического материала. Структура ДНК. Свойства и функции наследственного материала. Самовоспроизведение генетического материала. Принципы и этапы репликации ДНК. Репарация, ее виды.

Исследования, направленные на выяснение химической природы наследственного материала, неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Ф. Мишером (1868) в ядрах клеток гноя. Нуклеиновые кислоты являются макромолекулами, т.е. отличаются большой молекулярной массой. Это полимеры, состоящие из мономеров — нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание (пурин или пиримидин). К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1' присоединяется азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил), а к пятому атому углерода С-5' с помощью эфирной связи — фосфат; у третьего атома углерода С-3' всегда имеется гидроксильная группа — ОН (рис. 3.1).

Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь (рис. 3.2). В результате образуется полинуклеотидная цепь. Остов цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара. К молекулам пентозы в положении С-1' присоединено одно из перечисленных выше азотистых оснований (рис. 3.3).

Термин нуклеиновые кислоты был предложен немецким химиком Р. Альтманом в 1889г после того, как эти соединения были открыты в 1868г. швейцарским врачом Ф. Мишером. Он экстрактировал клетки гнойного пневмококка разбавленной соляной кислотой в течение нескольких недель и получил в остатке почти чистый ядерный материал, назвав его нуклеином (от лат. nucleus - ядро). По своим свойствам нуклеин резко отличался от белков: он был кислым, не содержал серы, было много фосфора. Нуклеин хорошо растворялся в щелочах, но не растворялся в разбавленных кислотах.

Впоследствии из животных, растительных объектов и микроорганизмов были выделены разные нуклеиновые кислоты. Их наилучшим источником оказались клетки, имеющие большие ядра.

 ДНК – самые крупные биополимеры, содержащие до 108–109 мономеров – дезоксирибонуклеотидов, которые содержат сахар – дезоксирибозу. В состав ДНК входит 4 типа дезоксирибонуклеотидов: аденин – А, тимин – Т, гуанин – G, цитозин – С.

В молекуле ДНК, состоящей из двух полинуклеотидных цепочек, выделяют первичную, вторичную, третичную и т.д. структуры.

 Первичная структура представляет собой линейную последовательность дезоксирибонуклеотидов в одной цепочке. В такой форме в природе ДНК не существует, но именно первичная структура (последовательность нуклеотидов) определяет все ее свойства.

Вторичная структура – две полинуклеотидовые цепочки, каждая из которых закручена в спираль вправо и обе закручены вправо вокруг одной оси. Две цепочки удерживаются рядом за счет водородных связей между азотистыми основаниями разных цепочек. Азотистые основания, образующие пары по принципу Чаргаффа (а это всегда одно пуриновое и одно пиримидиновое), называются комплементарными: А = Т; G = С. Адениновый и тимидиновый соединяются двумя водородными связями, а гуаниновый и цитозиновый – тремя.

 Комплементарность (от лат. комплементум – дополнение) – пространственная взаимодополняемость молекул или их частей, приводящая к образованию водородных связей. Наиболее ярко комплементарность проявляется в строении нуклеиновых кислот, где 2 полинуклеотидные цепи в результате комплементарного взаимодействия пар пуриновых и пиримидиновых оснований (А–Т, Г–Ц) образуют двуспиральную молекулу. Комплементарность лежит в основе многих явлений, связанных с «узнаванием» на молекулярном уровне (ферментативного катализа, самосборки биологических структур, матричного синтеза полинуклеотидов, молекулярных механизмов иммунитета). Комплементарные структуры подходят друг к другу как ключ к замку.

Правило Э. Чаргаффа: в любых молекулах ДНК молярная сумма пуриновых оснований (аденин + гуанин) равна сумме пиримидиновых оснований (цитозин + тимин), т.е. молярное содержание аденина равно таковому тимина, а гуанина – цитозина. Из правила Чаргаффа следует, что нуклеотидный состав ДНК разных видов может варьировать лишь по суммам комплементарных оснований. Правила Чаргаффа было использовано при построении модели структуры ДНК.

Третичная структура ДНК и структуры более высокого порядка представляют собой дальнейшую спирализацию и суперспирализацию молекулы ДНК.