Биология. Общая биология
 Скачать 1.51 Mb.
|
|
Задания по теме 1. Схематически зарисуйте в альбом микроскоп, обозначив его основные части. 2. На основании данных литературы составьте сравнительную характеристику микроскопов различных типов. 12 Контрольные вопросы 1. Дайте определение «биология» и «общая биологии». 2. Почему современную общую биологию считают комплексной наукой? 3. Какие специальные науки можно выделить в биологии? Дайте их краткую характеристику. 4. Какие методы исследования используют в биологии? 5. Какое значение имеет общая биология в практической деятельности? ПОНЯТИЕ О ЖИЗНИ Одно из определений понятия «жизнь» более 100 лет назад дал Ф. Энгельс (1898 г.). Согласно его определению, «жизнь есть способ существования белковых тел, при этом непременным условием жизни является постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается и жизнь». В то же время, согласно определению понятия «жизнь» по М.В. Волькенштейну (1965 г.), «жизнь – это живые тела, существующие на Земле, которые представляют собой открытые саморегулирующие и самовоспроизводящие системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот». По современным представлениям, жизнь – это способ существования открытых коллоидных систем, обладающих свойствами саморегуляции, воспроизведения и развития на основе геохимического взаимодействия белков, нуклеиновых кислот других соединений вследствие преобразования веществ и энергии из внешней среды. Жизнь возникает и протекает в виде высокоорганизованных целостных биологических систем. Биосистемами являются организмы, их структурные единицы (клетки, молекулы), виды, популяции, биогеоценозы и биосфера. Свойства и признаки живых систем 1. Упорядоченность. Все биосистемы характеризуются высокой упорядоченностью, которая может поддерживаться только благодаря протекающим в них процессам. 2. Клеточное строение. Все живые организмы имеют клеточное строение, за исключением вирусов. 3. Метаболизм. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания и дыхания, и выделяя продукты жизнедеятельности. 13 4. Репродукция, или самовоспроизведение. Этот процесс определяет способность живых систем воспроизводить себе подобных. 5. Наследственность. Данное свойство заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. 6. Изменчивость. Это способность организмов приобретать новые признаки и свойства за счет изменения биологических матриц – молекул ДНК. 7. Рост и развитие. Рост – процесс, в результате которого происходит изменение размеров организма (за счет роста и деления клеток). Развитие – процесс, в результате которого происходит качественное изменение организма. 8. Приспособленность. Это соответствие между особенностями биосистем и свойствами среды, с которой они взаимодействуют. 9. Раздражимость. Способность живых организмов избирательно реагировать на внешние или внутренние воздействия. Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется через посредство нервной системы и называется рефлексом. 10. Дискретность. Отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз др.) состоит из отдельных изолированных, т. е. обособленных или отграниченных в пространстве, но, тем не менее, связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. 11. Авторегуляция. Это способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов – гомеостаз. 12. Ритмичность. В биологии под ритмичностью понимают периодические изменения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). 13. Энергозависимость. Живые тела представляют собой «открытые» для поступления энергии системы. Под «открытыми» системами понимают динамические, т. е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. 14. Целостность. Вся живая материя определенным образом организована, подчинена ряду специфических законов, характерных для неё. Уровни организации живых систем 1. Молекулярный уровень. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. 14 2. Клеточный уровень. 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. Организменный уровень. Элементарной единицей организменного уровня служит особь, которая рассматривается в развитии – от момента зарождения до прекращения существования – как живая система. На этом уровне возникают системы органов, специализированных для выполнения различных функций. 4. Популяционно-видовой уровень. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, в которой создается популяция – надорганизменная система. В этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования – процесс микроэволюции. 5. Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз – совокупность организмов разных видов и различной сложности организации с факторами среды их обитания. 6. Биосферный уровень. Биосфера – совокупность всех биогеоценозов, система, охватывающая все явления жизни на нашей планете. Структурно-иерархический принцип организации живых систем Система – множество однородных или разнородных отдельностей, находящихся в более прочных, чем с окружающей средой, отношениях и связях друг с другом, и поэтому образующих некую целостность. Согласно определению автора учения о функциональных системах П.К. Анохина, «системой можно назвать только такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие приобретает характер взаимосодействия компонентов на получение фокусированного полезного результата». Природные системы чаще всего организованы по иерархическому принципу построения. По определению Дж. Николиса (1989 г.), «иерархическая система представляет собой ансамбль взаимодействующих частей, который состоит из последовательно вложенных одна в другую взаимодействующих субъединиц». Иерархия природных систем – соподчинение функциональных и структурных систем Вселенной, при котором меньшие подсистемы составляют бóльшие системы, сами являющиеся подсистемами более крупных систем. Любая природная системасоставлена естественными структурами и образованиями (подсистемами), группирующимися в функциональные компоненты на высших уровнях иерархической организации. 15 Структурные уровни и функциональные ряды в организации систем природы Природные системы образуют четыре функциональных ряда, выделенных по функциональному критерию эволюции. Каждый ряд подразделен на уровни по принципу вложения. Живые компоненты представлены во втором функциональном ряду (в качестве обязательных наряду с неживыми) и в третьем ряду (как целостные системы) (Табл. 1). Таблица 1. Характеристики функциональных рядов в иерархии природных систем Название ряда Компоненты Отличительные особенности компонентов Космический галактики, звезды, планеты, спутники большие размеры и временные интервалы истечения событий; преобладание свойств инертности и действий гравитационных сил Геоценотический биогеосистемы всех уровней организации наличие живых (включая человечество) и неживых компонентов в составе систем Бионтный все живые организмы представлен исключительно живыми организмами (включая человека) Корпускулярный молекулы, атомы, элементарные частицы, кварки малые размеры и временные интервалы истечения событий; преобладание волновых свойств и действий кулоновских и ядерных сил БИОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ ОРГАНИЗМОВ Биологическое разнообразие – это разнообразие живых организмов, экосистем и экологических процессов, звеньями которых они являются. Конвенция о биологическом разнообразии была принята в Рио-де-Жанейро 5 июня 1992 года. Целями конвенции являются сохранение биологического разнообразия, устойчивое использование его компонентов и совместное получение на справедливой и равной основе выгод, связанных с использованием генетических ресурсов, в том числе путём предоставления необходимого доступа к генетическим ресурсам и путём надлежащей 16 передачи соответствующих технологий с учётом всех прав на такие ресурсы и технологии, а также путём должного финансирования. Рисунок 3. Уровни биологического разнообразия В настоящее время на планете Земля существуют следующие формы жизни: доклеточные (вирусы) и клеточные (бактерии, грибы, растения, животные). Выделяют следующие категории биоразнообразия, которые составляют единую систему: – видовое (разнообразие видов живых организмов); – экосистемное (разнообразие мест обитания, биотических сообществ и экологических процессов в биосфере); – генетическое (разнообразие генов внутри одного вида). Однако на сегодняшний день происходит постепенное угасание процессов биоразнообразия в природе. Основными причинами утраты биоразнообразия являются: рост населения планеты; возрастающее потребление природных ресурсов, разрушение естественных мест обитания видов (вырубка лесов, осушение болот и др.); фрагментация сообществ; браконьерство и торговля редкими видами флоры и фауны; сознательное внесение или непреднамеренное проникновение чужеродных видов растений и животных; невнимание к вопросам изучения и сохранения биоразнообразия на государственном и местном уровнях. 17 Лабораторная работа № 2 Изучение элементарного и молекулярного состава живого Самыми распространенными элементами земной коры, на долю которых приходится 90% ее атомарного состава, являются О, Si, Al и Na. Далее следуют Са, Fe, Mg, P и другие элементы. В живых организмах обнаружено около 80 химических элементов. Но достоверно известно о функциях в организмах лишь в отношении 27 из них. В состав живых организмов входят атомы тех же элементов, что и в состав неживой природы, что свидетельствует об их материальном единстве. Однако их содержание иное. Провести четкую грань между живым и неживым на уровне атомов не представляется возможным. Большинство элементов, присутствующих в живой материи, образуют разнообразные химические соединения, которые подразделяются на неорганические и органические вещества. Органические соединения являются основой строения любого организма. Основой строения органических веществ служат атомы углерода. Таким образом, молекулярный состав живой и неживой природы различен, поэтому на молекулярном уровне можно провести между ними четкую границу. Задания по теме 1. Изучив имеющийся материал по данной теме, укажите, какие существуют макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы в живом организме. 2. Изучив имеющийся материал по данной теме, укажите содержание неорганических и органических веществ в живом организме. Контрольные вопросы 1. Дайте определение понятия «жизнь». 2. Какими признаками и свойствами обладают живые системы? 3. Какие существуют уровни организации живых систем? 4. В чем заключается принцип организации живых систем? 5. Что такое биологическое разнообразие? 6. Какие выделяют категории биоразнообразия? 7. Какие существуют причины утраты биологического разнообразия? 18 КОНЦЕПЦИЯ ЭВОЛЮЦИИ В БИОЛОГИИ Под эволюцией подразумевается процесс длительных, постепенных, медленных изменений, которые в конечном итоге приводят к коренным и качественным изменениям, завершающиеся образованием новых систем, структур и видов. Представления об эволюции в естествознании имеют ключевое значение. В науке существует понятие парадигмы – особого способа организации научного знания, задающего характер вùдения мира, системы предварительных условий, ориентиров и предпосылок в процессе построения и обоснования различных теорий, т.е. системы, которая определяет в целом тенденции развития научных исследований. Парадигма современного естествознания – это эволюционно-синергетическая парадигма, в основе которой лежат представления о самоорганизации и эволюции материи на всех её структурных уровнях. Эволюционная теория Ч. Дарвина – А.Р. Уоллеса Представления об эволюции живого высказывались практически на протяжении всего периода развития естествознания. Тем не менее, основоположником эволюционной теории в биологии считается Ч. Дарвин. Схема 1. Теория Ч. Дарвина-А.Р. Уоллеса Наблюдение 1 Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом Наблюдение 2 Число особей в каждой популяции примерно постоянно Наблюдение 3 Во всех популяциях существует изменчивость Вывод 1 Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции идет «борьба за существование» Вывод 2 В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к условиям существования, обладают репродуктивным преимуществом и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи 19 В каком-то смысле толчком к развитию теории эволюции можно считать книгу Т. Мальтуса «Трактат о народонаселении» (1778 г.), в котором он показал, к чему бы привел рост народонаселения, если бы он ничем не сдерживался. Ч. Дарвин применил подход Т. Мальтуса на другие живые системы. Исследуя изменения численности популяций, он пришел к объяснению эволюции путем естественного отбора (1839 г). Таким образом, наибольший вклад Ч. Дарвина в науку заключается не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить. Согласно теории Ч. Дарвина – А.Р. Уоллеса, механизмом, с помощью которого возникают новые виды, служит естественный отбор. Эта теория основывается на трёх наблюдениях и двух выводах. В это же время другой естествоиспытатель А.Р. Уоллес, как и Ч. Дарвин, много путешествовавший и тоже читавший Т. Мальтуса, пришел к тем же выводам. В 1858 г. Ч. Дарвин и А.Р. Уоллес выступили с докладами о своих идеях на заседании Линнеевского общества в Лондоне. В 1859 г. Дарвин опубликовал свой труд «Происхождение видов» («Origin of species»). Современная (синтетическая) теория эволюции Теория Ч. Дарвина – А.Р. Уоллеса в 20-м веке была значительно расширена и разработана в свете современных данных генетики (которая во времена Ч. Дарвина ещё не существовала), палеонтологии, молекулярной биологии, экологии, этологии (науки о поведении животных) и получила название неодарвинизма или синтетической теории эволюции. Новая, синтетическая теория эволюции представляет собой синтез основных эволюционных идей Ч. Дарвина, прежде всего, его идей о роли естественного отбора, в сочетании с новыми результатами биологических исследований в области наследственности и изменчивости. Современная теория эволюции имеет следующие особенности: – она ясно выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция – это популяция; – выделяет элементарное явление (процесс) эволюции – устойчивое изменение генотипа популяции; – шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции; – четко разграничивает микроэволюцию и макроэволюцию (впервые эти термины были введены в 1927 г. Ю.А. Филипченко, а дальнейшее их уточнение и развитие получили в трудах выдающегося биолога-генетика Н.В. Тимофеева-Ресовского). Микроэволюция – это совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов. 20 Макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого. Изменения, изучаемые в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдению, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного периода времени, и её процесс может быть только реконструирован и мысленно воссоздан. Как микро- так и макроэволюция происходят, в конечном итоге, под влиянием изменений в окружающей среде. Важнейшими аргументами в пользу эволюционной теории является так называемая палеонтологическая летопись, т.е. обнаруживаемые ископаемые формы живых организмов и биогенетический закон Геккеля («онтогенез повторяет филогенез»). Основные законы эволюции Многочисленные исследования, проведенные в рамках вышеупомянутых наук, позволили сформулировать следующие основные законы эволюции. 1. Скорость эволюции в разные периоды неодинакова и характеризуется тенденцией ускорения. В настоящее время она протекает быстро, и это отмечается появлением новых форм и вымиранием многих старых; 2. Эволюция различных организмов происходит с разной скоростью; 3. Новые виды образуются не из наиболее высокоразвитых и специализированных форм, а из относительно простых, неспециализированных форм; Рисунок 4. Схема видообразования. Каждая веточка – популяция. А – уровень исходного единого вида. Б, В – образование двух новых видов 21 4. Эволюция не всегда идет от простого к сложному. Существуют примеры «регрессивной» эволюции, когда сложная форма давала начало более простым (некоторые группы организмов, например, бактерии, сохранились только благодаря упрощению своей организации); 5. Эволюция затрагивает популяции, а не отдельные особи и происходит в результате мутаций, естественного отбора и дрейфа генов. Последнее весьма важно для понимания различия между дарвиновской теории эволюции и современной теорией (неодарвинизмом). |