Биология. Общая биология
 Скачать 1.51 Mb.
|
|
Федотова Ю.О. ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ Учебное пособие Санкт-Петербург 2017 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УНИВЕРСИТЕТ ИТМО Ю.О. Федотова ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ Учебное пособие Санкт-Петербург 2017 2 УДК 57.1(075) Федотова Ю.О. Общая биология.: Учебное пособие. – СПБ.: Университет ИТМО; 2017. – 63 с. Учебное пособие содержит цикл лекций и методические указания к проведению лабораторных занятий по курсу "Общая биология". В учебном пособии с учетом результатов современных исследований изложен теоретический и методический материал по основным вопросам общей биологии. В учебное пособие, включены материалы дня самостоятельной работы студентов, вопросы для самоконтроля и список необходимой учебной и научной литературы по основным разделам общей биологии. Предназначено для бакалавров направлений 19.03.01 очной и заочной форм обучения по дисциплине «Общая биология и микробиология». Рецензент: д.т.н., профессор Т.А. Никифорова Рекомендовано к печати Ученым советом Мегафакультета биотехнологий и низкотемпературных систем протокол №6 от 9 марта 2017 г. Университет ИТМО – ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 – 100». Цель Университета ИТМО– становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности. Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2017 Федотова Ю.О. 3 БИОЛОГИЯ Биология – наука о жизни во всех её проявлениях и закономерностях, управляющих живой природой. Название ее возникло из сочетания двух греческих слов: Биос – жизнь, Логос – учение. Эта наука изучает все живые организмы. Термин «биология» ввёл в научный оборот французский учёный Ж. Б. Ламарк в 1802 году. Она изучает строение, жизнедеятельность, среду обитания, происхождение всех живых организмов и их сообществ. Предмет изучения биологии – живые организмы (растения, животные, грибы, бактерии), их строение, функции, развитие, происхождение, взаимоотношения со средой. Живое на Земле представлено необычайным разнообразием форм, множеством видов живых существ. В органическим мире выделяют 5 царств: бактерии (дробянки), растения, животные, грибы, вирусы. Эти живые организмы изучаются соответственно науками: бактериология и микробиология, ботаника, зоология, микология, вирусология. В настоящее время обнаружено и описано около 3 млн. видов. Среди них более 1,5 млн. видов членистоногих, 0,5 млн. видов растений, сотни тысяч грибов и бактерий. Современная биология представляет собой комплекс биологических наук, характеризующихся высочайшей специализацией и одновременно тесным взаимодействием. Они различаются по объектам, предмету изучения, приложению биологических знаний в практике. Биология относится к ведущим отраслям естествознания. Она служит теоретической основой медицины, селекции, агрономии, зоотехнии, всех отраслей производства, связанных с живыми организмами – биотехнологией. Совершенно необходимы знания биологии для рационального использования естественных ресурсов, правильного ведения природоохранных мероприятий. История развития биологии Античный период В античный период С. Аристотелем был введен термин «естествознание». Он также издал трактат «Органон» и предложил «лестницу живых существ», на которую поместил и человека. Средневековье В средневековье основная направленность развития биологии заключалась в поиске иллюстраций к истинам морали и религии. К. Линней предложил иерархическую систему живых организмов, в которой пользовался бинарной номенклатурой. В 1758 г. К. Линней выпустил десятое издание монографии «Системы природы». 4 Научная революция XVI–XVII вв. и становление классической науки В период XVI-XVII вв. в области биологии были сделаны следующие открытия. Ж.-Б. Ламарком была сформулирована теория эволюции живых организмов и введены термины «биология» и «биосфера». Ж. Кювье заложил основы функциональной морфологи, а К. Бэр – основы эмбриологии. В 1838 г. учеными М. Шлейден и Т. Шванном была начата разработка клеточная теория. В 1859 г. была опубликована книга Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора», которая впоследствии явилась основой эволюционного учения. В дальнейшем последовали фундаментальные открытия, для которых были характерны глубокая системность и междисциплинарный подход. В этот же период в 1866 г. Э. Геккель в одной из своих работ «Всеобщая морфология организмов» впервые применил термин «экология» как «наука о взаимоотношениях организмов между собой» и «физиология отношений организмов друг с другом», отождествляя новую науку с «экономикой природы». В 1887 г. А. Вейсман выдвинул теорию непрерывности зародышевой плазмы. Однако, открытые в это же время законы наследственности (Г. Мендель, 1865) остались незамеченными вплоть до 1900 г., когда их независимо друг от друга переоткрыли Г. де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак. При дальнейшем развитии исследований были обнаружены новые явления, недоступные объяснениям с позиций доминирующей парадигмы. Назрела необходимость в ее смене. Этот процесс происходил в три этапа и получил название новейшая революция в науке. Первый этап связан с «переоткрытием» генетики (1900 г.) и возникновением противоречий между сторонниками классического дарвинизма и менделеевской генетики. В это время Т. Морган предложил хромосомную теорию наследственности (1912 г.) Второй этап новейшей революции относят к середине 20-х годов. В этот период появилась новая концепция квантово-релятивистской картины мира. В эти же годы утвердилась популяционная генетика, примирившая противоречия классического дарвинизма с законами наследственности Г. Менделя. Наряду с этим, в 20-х годах в экологии на основе популяционного учения активно разрабатывался биогеоценологический подход. Примечательно, что последние открытия были созданы на основе трудов отечественных ученых, в числе которых значительный вклад внесли профессора Харьковского университета С.И. Медведев и В.В. Станчинский, но впоследствии у себя на родине искусственно развенчаны тоталитарным режимом, вплоть до начала реабилитации с 50-х годов. В 1932 г. в работе Л. Берталанфи «Теория биологических объектов как открытых систем, находящихся в состоянии динамического равновесия» впервые были заложены основы общей теории систем. 5 Третий этап (40-вые годы) характеризуются многоплановостью и интенсивностью изучения, а также модернизацией методов исследований. Развитие получают все естественнонаучные направления. В методы исследования внедряется кибернетика. В конце 1940-х годов было окончательно сформулировано учение В.И. Вернадского о биосфере как среде и продукте жизнедеятельности живого вещества. В биологии в это время расшифровывается структура ДНК (Ф. Крик и Дж. Уотсон, 1953 г.) и триплетный код нуклеотидов, которым записываются аминокислоты. Одним из интереснейших открытий ХХ века также является обоснование нового направления в науке – синергетики. Согласно этому направлению, действие системы в целом не является простой суммой действий ее компонентов. Открытие синергетики связывают с именами Дж. Хакена и И. Пригожина. Системный подход в изучении биологии Системный принцип, положенный в основу изучения биологии, ориентирует на целостный охват изучаемых процессов и явлений в их взаимосвязи и взаимодействии с другими явлениями и тем самым предостерегает от односторонности, неполноты и ограниченности результатов. ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ Общая биология представляет собой интегрирующую науку. Она объединяет все биологические науки на теоретическом и практическом уровнях. Общая биология изучает закономерности жизни на всех уровнях ее организации, механизмы биологических процессов и явлений, пути развития органического мира и его рациональное использование. Общая биология также играет объединяющую роль в системе знаний о живой природе, поскольку в ней систематизируются ранее изученные факты, совокупность которых позволяет выявить основные закономерности органического мира. Целью общей биологии является осуществление разумного использования, охрана и воспроизведение природы. Методы изучения, используемые в общей биологии Общая биология как наука активно использует методы других наук, которые позволяют изучать и решать поставленные задачи. Существует следующая классификация методов изучения, которыми пользуется общая биология: 1. Палеонтологический метод, или морфологический метод изучения. Данный метод основан на том, что глубокое внутренне сходство организмов может показать родство сравниваемых форм (гомология, аналогия органов, рудиментарные органы и атавизмы). 6 2. Сравнительно-эмбриологический метод изучения. Этот метод заключается в выявлении зародышевого сходства. 3. Комплексный метод изучения представляет собой метод тройного параллелизма. 4. Биогеографический метод изучения позволяет проанализировать общий ход эволюционного процесса в самых разных масштабах (сравнивание флор и фаун, особенности распространения близких форм, изучение реликтовых форм). 5. Популяционный метод изучения характеризуется способностью улавливать направления естественного отбора по изменению распределения значений признака в популяциях на разных стадиях ее существования или при сравнении разных популяций. 6. Иммунологический метод исследования позволяет с большой степенью точности выявить «кровное родство» разных групп. 7. Генетический метод изучения заключается в определении генетической совместимости сравниваемых форм и степени их родства. 8. Паразитологический метод изучения. Доказано, что эволюция паразитов и хозяев протекает сопряжено, а в некоторых группах паразиты оказываются специфическими для видов, родов и семейств. Поэтому по присутствию определенных паразитов порой можно с большой точностью судить о филогенетических связях видов – хозяев этих паразитов. Связь общей биологии с естественными и другими науками Современная общая биология связана в различных аспектах с другими науками, такими как медицина, ветеринария, экология, сельскохозяйственные и лесоводческие науки, биотехнология, охрана окружающей среды, а также с физикой, химией, математикой и, информатикой. Существует такие прикладные области использования знаний общей биологии, как биотехнология, генная и клеточная инженерия. Биотехнология представляет собой прикладную отрасль, в которой происходит производственное использование биологических агентов (микроорганизмы, растительные клетки, животные клетки, части клеток – клеточные мембраны, рибосомы, митохондрии, хлоропласты) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы, как рибонуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) и белки – чаще всего ферменты. ДНК или РНК необходима для переноса чужеродных генов в клетки. Основной задачей современной биотехнологии является создание новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, имеющих хозяйственно ценные признаки, стабильно передающиеся по наследству. 7 Рисунок 1. Клеточная селекция. Генная инженерия заключается в использовании совокупности приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Генная инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология. Клеточная инженерия представляет собой прикладную отрасль науки, благодаря которой осуществляется конструирование клеток нового типа. С использованием клеточной инженерии из отдельных клеток получают целые, нормально развитые организмы с применением методов клеточной селекции и соматической гибридизации. Например, с помощью метода клеточной селекции можно выделить лишь одну клетку, размножить ее и прорастить в питательной среде, в результате чего можно получить большое количество растений. Практическое значение общей биологии Основы общей биологии широко применяются в медицине для изучения и борьбы с инфекциями и паразитическими заболеваниями; в биотехнологии для биосинтеза белков, антибиотиков, витаминов и гормонов; в сельском хозяйстве для селекции высокопродуктивных пород животных и сортов растений и микроорганизмов; в охране природы для разработки и внедрения методов рационального и рачительного природоиспользования. 8 Значение биологии для медицины Отечественный врач Давыдовский И.В. писал: «Медицина, взятая в плане теории – это прежде всего общая биология». Например, исследование Л. Пастера (1862 г.), доказавшие невозможность самопроизвольного зарождения жизни в современных условиях, позволило сделать открытие микробного происхождения процессов гниения и брожения. Это произвело значительный переворот в медицине и обеспечило развитие хирургии. В практику хирургов вошли антисептика (предохранение химическими веществами ран от заражения), а затем асептика (стерилизация предметов, соприкасающихся с раной). И.И. Мечников, изучая пищеварение у низших многоклеточных животных, открыл явление фагоцитоза, что затем способствовало появлению понятия «иммунитет». Исследования И.И. Мечникова о межвидовой борьбы у микроорганизмов явились предпосылкой открытия антибиотиков, роль которых в медицине переоценить невозможно. Советский исследователь Б.П. Токин открыл у растений летучие вещества – фитонциды, нашедшие широкое применение в медицине. Открытия общей генетики способствовали дальнейшему развитию медицинской генетики. Исследования в области экологии паразитов позволили врачам успешно бороться с инфекционными и инвазионными заболеваниями человека. В настоящее время знания общей биологии успешно применяются в молочной, мясной и рыбной промышленностях. Лабораторная работа № 1 Изучение устройства световых микроскопов и техники микроскопирования в общей биологии Микроскоп – это оптический прибор, дающий увеличенное изображение мелких объектов и их деталей. В настоящее время микроскопы используются для визуальных наблюдений, фотографирования, точных количественных измерений. Хотя различные марки световых микроскопов имеют конструктивные отличия, в каждом из них существуют механические и оптические узлы. Осветительная система (конденсор и зеркало), объективы и окуляры вместе с тубусом составляют оптический узел. Конденсор с ирисовой диафрагмой и зеркало расположены под столиком микроскопа. Конденсор состоит из двух или трех линз. Различают несколько типов конденсоров в зависимости от метода наблюдения в микроскопе: конденсор светлого поля, конденсор темного поля, конденсор для наблюдения по методу фазового контраста и т. д. Зеркало микроскопа имеет две поверхности – плоскую и вогнутую. Оно располагается под конденсором, направляя в него свет. Из конденсора свет попадает на препарат, находящийся на столике микроскопа, а затем входит в объектив. Объективы – наиболее важная составная часть оптического узла микроскопа. Современные объективы – это многолинзовые системы, от качества которых зависит в основном изображение объекта. Недостатки (аберрации) 9 линз могут привести к тому, что изображение в какой-то мере окажется окрашенным или размазанным, искривленным. Назначение объектива можно сформулировать так: объектив строит геометрически подобное объекту увеличенное изображение с обратным расположением частей по отношению к препарату и в то же время выявляет подробности, недоступные глазу человека (или как говорят, «разрешает» структуры). Качество изображения, особенно при объективах большого увеличения, зависит также от толщины предметного и покровного стёкол. Нормальна толщина предметного стекла 1,2 мм, покровного – 0,17 мм. Окуляр, подобно лупе, даёт прямое, мнимое, увеличенное изображение наблюдаемого объекта, построенное объективом. Он не выявляет новых деталей строения, и в этом отношении его увеличение бесполезно. Окуляр состоит из двух-трёх линз, вмонтированных в металлический цилиндр. Между линзами расположена постоянная диафрагма, определяющая границы поля зрения. Нижняя линза фокусирует изображение объекта, построенное объективом, в плоскости диафрагмы, а верхняя служит непосредственно для наблюдения. Увеличение окуляров обозначено на них цифрами: ×7, ×10, ×15. Для определения общего увеличения микроскопа следует умножить увеличение объектива на увеличение окуляра. Осветительное устройство состоит из зеркала и конденсора с ирисовой диафрагмой, расположенных под предметным столиком. Оно предназначено для освещения объекта пучком света. Зеркало служит для направления света через конденсор и отверстие предметного столика на объект. Оно имеет две поверхности: плоскую и вогнутую. В учебных лабораториях обычно используют вогнутую поверхность зеркала. Оно закреплено на штативе так, что может вращаться в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Конденсор состоит из двух-трёх линз, вставленных в металлический цилиндр. При подъёме или опускании его при помощи винта соответственно конденсируется или рассеивается свет, попадающий от зеркала на объект. Ирисовая диафрагма расположена между зеркалом и конденсором. Она служит для изменения диаметра светового потока, направляемого зеркалом через конденсор на объект в соответствии с диаметром фронтальной линзы объектива, и состоит из металлических пластинок. При помощи рычажка их можно то соединять, полностью закрывая нижнюю линзу конденсора, то разводить, увеличивая поток света. Кольцо с матовым стеклом или светофильтром расположено под диафрагмой и используется для уменьшения освещённости объекта. Механическая система микроскопа состоит из подставки, коробки с макромерным механизмом и микромерным винтом, тубусодержателя, винта грубой наводки, кронштейна конденсора, винта перемещения конденсора, револьвера и предметного столика. Подставка – прямоугольное (подковообразное) основание микроскопа. Коробка с макромерным механизмом прикреплена к подставке неподвижно и построена по принципу взаимодействующих шестерён 10 Рисунок 2. – Современный световой (а) и электронный (б) микроскопы 1 – конденсор; 2 – предметный столик; 3 – объектив; 4 – окуляр; 5 – осветитель; 6 – винты подачи; 7 – фотокамера; 8 – проекционная электромагнитная линза. Макромерным винт служит для незначительного перемещения тубусодержателя. Полный оборот макромерного винта передвигает тубусодержателя на 100 мкм. Тубус или труба – цилиндр, в который сверху вставляют окуляры. Он неподвижно соединён с головкой тубусодержателя и фиксируется стопорным винтом в определённом положении. Ослабив стопорный винт, тубус можно снять. Револьвер предназначен для быстрой смены объективов, ввинченных в его гнёзда. Центрированное положение объектива обеспечивает защелка, расположенная внутри револьвера. Тубусодержатель несёт трубу и револьвер и управляется с помощью винта грубой наводки. Винт грубой наводки используют для значительного перемещения тубусодержателя, а, следовательно, и объектива с целью фокусировки объекта при малом увеличении. Предметный столик предназначен для расположения на нём препарата. В середине столика есть округлое отверстие, в которое входит фронтальная линза конденсора. Столик можно вращать вокруг оси и 11 передвигать в двух взаимно перпендикулярных направлениях при помощи двух винтов, расположенных справа и слева от столика. На столике есть две пружинящие клеммы – зажимы, закрепляющие препарат. Кронштейн конденсора подвижно присоединён к коробочке макромерного механизма. Его можно поднять и опустить при помощи винта, который вращает зубчатое колесо, входящее в пазы рейки с гребенчатой нарезкой. Правила работы с микроскопом 1. Выставьте наименьшее из возможных увеличений. 2. Глядя в окуляр, поставьте зеркало в такое положение, чтобы круглое поле зрения было освещено равномерно (у микроскопов со встроенным осветителем освещение обычно выставляется автоматически). 3. Положите препарат и закрепите его пружинными клеммами таким образом, чтобы исследуемый объект помещался над отверстием в столике микроскопа, через которое направлен свет. 4. Поворотом винта грубой настройки подведите объектив почти вплотную к покровному стеклу препарата. 5. Одним глазом (как правило, левым) смотрите в окуляр (другой глаз следует всегда оставлять открытым, что позволит сделать зарисовки видимой в микроскопе картины). 6. Вращением винта грубой настройки очень медленно поднимайте тубус вверх, пока не станет более или менее четко видно изображение. (Если этого не произойдет, снова опустите его почти до уровня покровного стекла над препаратом и повторите фокусировку). 7. Установите с помощью точной настройки четкое изображение. 8. Двигая предметное стекло по столику микроскопа, просмотрите весь объект до тех пор, пока в центре поля зрения не окажется искомое место препарата. 9. Установите следующее, большее увеличение путем замены объектива, подрегулируйте винтом точной настройки четкость изображения. 10. После окончания работы переведите микроскоп на малое увеличение, и только после этого можно снять микропрепарат с предметного столика. Категорически запрещается снимать микропрепарат из-под объектива большого увеличения, т.к. можно повредить фронтальную линзу! 11. Оставить микроскоп после работы абсолютно чистым и сухим, закрыть колпаком для защиты от пыли. |