УМК КСЕ СПО. Учебнометодический комплекс по дисциплине концепции современного естествознания для студентов всех специальностей

• Название: Учебнометодический комплекс по дисциплине концепции современного естествознания для студентов всех специальностей
• Анкор: УМК КСЕ СПО.doc
• Дата: 25.04.2017
• Размер: 3.72 Mb.
• Имя файла: УМК КСЕ СПО.doc
• Тип: Учебно-методический комплекс; #4821
• страница: 10 из 20

Наследственная (генотипическая) изменчивость связана с изменениями генетипа и передаче этих изменений из поколения в поколение. В зависимости от варьирования генетического материала различают две формы наследственной изменчивости: комбинативную и мутационную.

Комбинативная изменчивость связана с образованием у потомков сочетаний генов без изменения их молекулярной структуры, формирующихся при перекомбинации генов и хромосом в процессе полового развития (кроссинговер, независимое расхождение хромосом, случайное сочетание гамет при оплодотворении).

Мутационная изменчивость связана с приобретением новых признаков в результате мутаций. Мутации – изменения наследственных свойств организма в результате перестроек и нарушений в генетическом материале организма. Мутация – основа наследственной изменчивости в живой природе. Мутации индивидуальны, возникают внезапно, скачкообразно, ненаправленно, наследуются.

По характеру изменения генотипа различают геномные (полиплоидия – кратное увеличение числа хромосом, анэуплоидия – некратное увеличение числа хромосом), хромосомные и генные мутации.

Ненаследственная (фенотипическая, модификационная) изменчивость связана с изменениями фенотипа под влиянием внешней среды на экспрессию генов. Генотип остается неизменным. Границы изменчивости признака, возникающей под действием факторов среды, определяется ее нормой реакции. Главные особенности модификационных изменений: кратковременность (не передаются следующему поколению), групповой характер изменений, охватывающий большинство особей в популяции, имеют приспособительный характер.
Генная инженерия и клонирование

Генетическая (генная) инженерия –это совокупность методов конструирования лабораторным путем (invitro) генетических структур и наследственно измененных организмов, т.е. создание новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генетическая инженерия возникла в начале 70 гг. ХХ в., она основа­на на извлечении из клеток какого-либо организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединении их со специальными молекулами ДНК (так называемыми векторами), способными прони­кать в клетки другого организма (главным образом микроорганизмов) и размножаться в них. Так создаются молекулы рекомбинантных ДНК.

Рекомбинантные (чужеродные) ДНК привносят в реципиентный организм новые генетические и физико-биохимические свойства. К числу таких свойств можно отнести синтез аминокислот и белков, гормонов, ферментов, витаминов и др.

Применение методов генетической инженерии открывает перспективу изменения ряда свойств организма: повышение продуктивности, резистентности к заболеваниям, увеличение скорости роста, улучше­ния качества продукции и др. Животных, несущих в своем геноме рекомбинантный (чужеродный) ген, принято называть трансгенными, а ген, интегрированный в геном реципиента, – трансгеном. Благодаря переносу генов у трансгенных животных возникают новые качества, а дальнейшая селекция позволяет закрепить их в потомстве и создать трансгенные линии.

Методы генетической инженерии позволяют создавать новые гено­типы растений быстрее, чем классические методы селекции. Появляется возможность целенаправленного изменения генотипа – трансформации, которая заключается главным образом в переносе чужеродных или модифицированных генов в эукариотические клетки. В клетках растений возможна экспрессия генов, перенесенных не только от дру­гих растений, но и от микроорганизмов и даже животных.

Клонирование – воспроизведение живого существа, его неполовых (соматических) клеток. Клонирование органов и тканей – важнейшая задача в области трансплантологии, травматологии и других областях медицины и биологии.

Дальнейший прогресс человечества во многом связан с развитием биотехнологии. Вместе с тем необходимо учитывать, что неконтролируемое распространение генно-инженерных живых организмов и продуктов может нарушить биологический баланс в природе и представлять угрозу здоровью человека.
Основные эволюционные теории

Биологическая эволюция – историческое развитие организмов.

К концу XVIII в. было описано много животных и растений, проводились попытки их систематизации. Значительный вклад в создание системы природы внес выдающийся шведский ученый К. Линней. Он ввел принцип двойного наименования для обозначения положения определенного вида в системе, например Человек разумный.

Ламаркизм. Первая попытка разработки целостной теории эволюционного развития живого принадлежит Ж.-Б. Ламарку (начало XIX в.). В системе природы Ламарк разместил организмы в восходящем порядке – от простейших до высокоорганизованных существ. По его мнению, эволюция идет на основании внутреннего стремления организмов к прогрессу. Причиной многообразия живого Ламарк считал воздействие различных факторов среды, причем реакции организма на воздействия среды носят целесообразный характер и передаются по наследству. Например, при скудном растительном покрове почвы жираф вынужден ощипывать листья с деревьев, постоянно вытягивая шею, чтобы достать их. Таким образом, Ж.-Б. Ламарк считал, что новые признаки всегда полезны и наследуются. Это представление об изначальной целесообразности любой реакции на измененные условия оказались ошибочными.

Дарвинизм. В 1858 г. Ч. Дарвин и независимо от него А.Р. Уоллес обосновали принцип естественного отбора и представление о борьбе за существование как механизме этого отбора. Теория эволюции путем естественного отбора основана на следующих положениях:

1. Для живого характерно наличие изменчивости, причем для эволюции громадное значение имеет наследственная изменчивость. При благоприятных условиях эти различия могут не играть существенной роли, при неблагоприятных – каждое мельчайшее различие может стать решающим в том, останется ли этот организм в живых и даст потомство или же он будет уничтожен.

2. Для организмов характерно размножение в гео­метрической прогрессии. Потенциально вид в каждом поколении производит гораздо больше особей, чем их может выжить до взрослого состояния на занимаемой территории. Следовательно, значительная часть родившихся гибнет в «борьбе за жизнь». В результате борьбы за существование происходит элиминация (физическая гибель или устранение при размножении) особей, которые по признакам наименее соответствуют условиям среды обитания. Таким образом, следствием борьбы за существование является естественный отбор.

Естественный отбор, по Дарвину, – это выживание наиболее приспособленных, и преимущественное оставление ими потомства. Естественный отбор не отбирает более приспособленных, они просто сохраняются в результате элиминации менее приспособленных.

Ч. Дарвин считал, что возникновение новых видов происходит постепенно путем накопления полезных индивидуальных изме­нений, увеличивающихся из поколения в поколение. Процесс видообразования происходит по принципу дивергенции.

Дарвин впервые предложил естественно-научное объяснение эволюционного про­цесса. Он указал на движущие силы эволюции: наследственная изменчивость, борьба за существование, естественный отбор; дал объяснение механизма видообразования.

Синтетическая теория эволюции создана в конце XIX в. А. Вейсманом и представляет собой единение нескольких наук, первостепенными из них являются теория эволюции и генетика.

Основные положения синтетической теории эволюции:

1. Материалом для эволюции служат, как правило, очень мелкие, но дискретные изменения наследственности – мутации.

2. Основным или даже единственным движущим фактором эволюции является естественный отбор, основанный на отборе (селекции) случайных и мелких мутаций.

3. Наименьшая эволюционирующая единица эволюции – популяция.

4. Эволюция носит дивергентный характер, т.е. один таксон может стать предком нескольких дочерних таксонов, но каждый вид имеет единственный предковый тип.

5. Эволюция носит постепенный и длительный характер.

6. Вид состоит из множества соподчиненных, морфологически, физиологически и генетически отличных, но репродуктивно не изолированных единиц – подвидов, популяций.

7. Обмен аллелями возможен лишь внутри вида. Вид – генетически целостная и замкнутая система.

8. Любой реальный, а не сборный таксон имеет однокорневое, монофилеческое происхождение.
Микро- и макроэволюция

Эволюционный процесс чаще всего разделяют на микроэволюцию – возникновение новых видов и макроэволюцию – эволюционные преобразования на надвидовом уровне (рис. 7.3).

Процесс макроэволюции длится десятки и сотни миллионов лет, а микроэволюции тысячи тел.

Элементарная единица эволюции – популяция.

Вид – совокупность особей, характеризующихся общим происхождением, наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, способных скрещиваться и давать плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям среды и занимающих определенный ареал (т.е. область распространения).

Популяция – совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, населяющих определенный ареал и частично изолированных от других популяций.



Рис. 7.3. Филогенез основных групп организмов
Главный фактор, определяющий единство популяции и ее относительную обособленность – свободное скрещивание особей. Внутри популяции каждый организм одного пола имеет равную вероятность на образование брачной пары с любым организмом другого пола. Характеристика популяции: численность, плотность, возрастная структура (соотношение разных возрастных групп), половая структура (соотношение разных половых групп) и пространственная структура. Основные процессы, происходящие в популяциях: рождаемость, смертность, вселение (иммиграция), выселение (эмиграция).
Факторы эволюции

Изменения генотипического состава популяций происходят под действием множества событий, которые тем или иным путем в состоянии преобразовывать популяции.

Мутационный процесс постоянно увеличивает генетическую гетерогенность популяций, создает резерв изменчивости и дает более широкие возможности для совершенствования приспособлений при изменении среды.

Популяционные волны – колебания численности особей в популяциях. Примерами попул.волн могут служить колебания численности грызунов, цианобактерий, насекомых, бактерий и т.п.

Изоляция – важнейший фактор эволюции, приводящий к разобщению, делающим невозможным свободное скрещивание.

Естественный отбор – ведущий, направляющий фактор эволюции. Различают три основные формы естественного отбора:

- стабилизирующий сохраняет признаки вида со средними значениями в относительно постоянных условиях;

- движущий действует в изменяющихся условиях среды и обеспечивает преимущество особям с некоторыми отклонениями от средней нормы;

- разрывающий или дизруптивный способствует сохранению сразу множеству фенотипов и действует в разнообразных условиях.
Основные направления эволюции

С момента возникновения жизни развитие живой природы шло от простого к сложному, от низкоорганизованных форм к более высоко организованным и имело прогрессивный характер.

А.Н. Северцов выделял три основных пути эволюционных преобразований: ароморфоз, идиоадаптация, общая дегенерация (рис. 7.4).

Ароморфозы (арогенез) – усложнения строения и функций организмов, которые ведут к общему повышению организации и жизнеспо­собности группы в новых условиях обитания. Приводят к возникновению новых крупных систематических групп – типов, классов. Например, предки млекопитающих и птиц приобрели ароморфозы важнейших систем: нервной, кровеносной, дыхатель­ной и др., что обеспечило освоение ими более сложных сред обитания.

Рис. 7.4. Соотношение между ароморфозом, идиоадаптацией и дегенерацией

Идиоадаптации (аллогенез) – мелкие приспособления к специфическим условиям среды, полезные в борьбе за существование, но существенно не меняющие уровня организации. Классы насекомых, птиц и млекопитающих на основе многочисленных идиоадаптации (разнообразные преоб­разования различных органов) дали громадное многообразие видов.

Общая дегенерация (катагенез) – упрощение организации, образа жизни в результате приспособления к более простым условиям сущест­вования. Например, переход к паразитическому или сидячему образу жизни нередко сопровождается морфофизиологическими перестройками, редукциями некоторых органов и систем

В природе также наблюдается и биологический регресс, который характеризуется уменьшением численности особей группы, сокращением ареала, уменьшением числа и разнообразия дочерних групп. В итоге биологический регресс может привести к вымиранию группы. Исчезли древовидные плауны и хвощи, древние папоротники, большинство древних земноводных и пресмыкающихся.
Правила эволюции

Правило необратимости эволюции (правило Л. Долло): эволюционный процесс необратим, возврат к прежнему эволюционному состоянии, ранее осуществленному в ряду поколений предков, невозможен.

Правило происхождения от неспециализированных предков (правило Э. Копа): возникновение новых крупных групп, сопровождающихся повышением уровня организации, связано с примитивными неспециализированными формами.

Правило прогрессирующей специализации (правило Ш. Депере): организмы единожды ставшие на путь узкой специализации, в дальнейшем буду развиваться по пути все более глубокой специализации.

Правило адаптивной радиации (правило Г. Осборна): историческое развитие (филогенез) каждой группы организмов происходит путем разделения исходного ствола на несколько боковых ветвей, расходящихся в нескольких адаптивных направлениях.

Правило чередования главных направлений эволюции (правило И.И. Шмальгаузена): в процессе эволюции происходит чередование ее основных направлений (ароморфозы сменяются идиоадаптациями).

Биогенетический закон Геккеля–Мюллера: онтогенез представляет собой краткое повторение филогенеза.
Литература: 1–3, 5–9.

Лекция 8. ЧЕЛОВЕК. БИОСФЕРА
8.1. Человек в иерархической структуре царства животных. Основные стадии антропогенеза
Человек разумный (Homo sapiens) – один из 3 млн. известных сейчас биологических видов на Земле. Место в системе органического мира:

Царство животные

Подцарство многоклеточные животные

Тип хордовые

Подтип позвоночные

Класс млекопитающие

Подкласс плацентарные

Отряд приматы

Подотряд гоминоиды (= человекообразные)

Семейство гоминиды

Подсемейство гоминины (человек, шимпанзе, горилла)

Род человек

Вид человек разумный

Человечество представляет собой общемировую популяцию биологического вида, составную часть экосистемы Земли. Организм человека развивается по общим для всех живых видов законам. Ч. Дарвин распространил на человека основные положения эволюционной теории и доказал его происхождение от «ниже стоящих видов животных». Происхождение человека, становление его как вида называется антропогенезом (рис. 8.1).

Основные тенденции в эволюции человека:

1. Прогрессивное увеличение абсолютных и относительных размеров головного мозга.

2. Прогрессивное развитие интеллекта, памяти, обучаемости.

3. Сложное поведение, орудийная деятельность.

4. Усложнение социальных отношений, «социальный интеллект».



Рис. 8.1. Антропогенез
Самые древние предки человека возникли 5–8 млн. лет назад в Восточной Африке. Первые из известных гоминид – австралопитеки:

- время существования: 5,5 – 1 млн. лет назад

- распространение: Восточная и Южная Африка

- мозг – около 500 см³

- питание – в основном вегетарианское

- орудий не изготовляли, но могли пользоваться палками и камнями.

Среди австралопитековых 2–3 млн. лет назад выделился род человек (Нomo). Его первые представители – древнейшие люди, в том числе 2 вида:

Человек умелый (Homo habilis)

- время существования: 3 – 1,5 млн. лет назад

- распространение: Восточная и Южная Африка

- мозг – около 650 см³

- питание – в основном вегетарианское

- первая культура – галечная

- первые орудия – отщепы (чопперы)

Человек прямоходящий (Homo erectus):

- время существования: около 2 млн. – 200 тыс. лет назад

- распространение: Африка (атлантроп), Азия (питекантроп, синантроп), Европа (гейдельбергский человек)

- мозг – около 1000 см³

- речь

Им на смену пришли древние люди:

Человек неандертальский (Homo neandertaliensis):

- время существования: 200 – 28 тыс. лет назад

- распространение: Африка, Западная Азия

- мозг – около 1550 см³

- загонная охота (мясоеды)

- мустьерская культура

В это же время (40–50 тыс. лет назад) появились кроманьонцы – прямые предки современных людей, вместе с которыми они составляют единый вид – человек разумный (Homo sapiens) (мозг около 1500 см³).

Вид Человек разумный (Homo sapiens), к которому относятся современные люди, в настоящее время разделен на 3 или 5 больших рас.

В первом случае это европеоид­ная (евразийская), монголоидная (азиатско-американская) и австрало-негроидная (экваториальная), во втором – ев­ропеоидная, монголоидная, американская, австралоидная и негроидная расы.

Расы появились в результате расселе­ния и географической изоляции, видимо, популяций нео­антропов, живших в разных природно-климатических условиях. О единстве вида Homo sapiens свидетельствует то, что все расы человека равноценны в биологическом и психо­логическом отношениях и находятся на одном и том же уровне эволюционного развития. Представители всех рас в пределах нормы реакции способны к достижению боль­ших высот в развитии культуры и цивилизации. Также о видовом единстве свидетельствуют неограниченные возмож­ности скрещиваний с образованием плодовитого потомства
8.2. Социальная природа человека
Движущими силами антропогенеза являются биологические и социальные факторы. Биологические факторы – это наследственность, изменчивость, борьба за существование и естественный отбор. Социальные факторы – трудовая деятельность, общественный образ жизни, речь и мышление.

Для человека свойственны не только биологические, но социальные адаптации к условиям окружающей среды. Вне человеческого общества само формирование человека невозможно. Таким образом, человек имеет биосоциальную природу.

Между природной средой и обществом существуют слож­ные взаимодействия, обмен веществом и энергией.

Человек появился на Земле 2–3 млн. лет назад. Снача­ла это был человек-собиратель. Около 1,6 млн. лет назад чело­век научился пользоваться огнем. Это позволило ему заселить территории с умеренным климатом и заняться охотой. Ис­пользование огня и изобретение оружия привело к массовому уничтожению (перепромыслу) крупных млекопитающих сред­них широт. Это послужило причиной первого экологического кризиса– кризиса консументов. Этот кризис заставил человека перейти от присваивающего типа хозяйства (охота и собира­тельство) к производящему (скотоводство и земледелие).

Первые земледельческие цивилизации возникли в районах недостаточного увлажнения, что потребовало создания оросительных систем. В результате эрозии и засоления почв произошли локальные экологические катастрофы в бассейнах рек. Тигр и Евфрат, а сведение лесов привело к появлению пустыни Сахара на месте плодородных земель. Так проявил себя кризис примитивного земледелия.

Переход к аграрной (сельскохозяйственной) культуре называют неолитической революцией, так как человек перешел от присваивающей экономики к экономике производящей. Важными отличительными особенностями жизни человека стали оседлость и полуоседлость, что предполагало тесный контакт с территорией, которую он обрабатывал.

Экологические последствия деятельности неолитических земледельцев и скотоводов были весьма разнообразны. Практиковавшееся в то время подсечно-огневое земледелие позволяло не только освобождать новые территории для расширения земледелия, получать необходимые минеральные соли для подкормки культурных растений, но и. приводило к обширным пожарам, в результате которых выгорали большие территории леса, погибало много животных. Распашка земель приводила к разрушению естественных экологических ниш многих животных. Сельскохозяйственные животные также оказали огромное влияние на природные комплексы.

Позднее земледелие продвинулось на территории достаточного увлажнения, в районы лесостепи и леса, в результате чего началась интенсивная вырубка лесов. Развитие земледелия и нужда в древесине для строительства домов и кораблей привели к катастрофическому уничтожению лесов в Западной Европе. Сведение лесов в прошлом и настоящем вызывает изменение газового состава атмосферы, климатических условий, водного режима, состояния почв. Массовое уничтожение растительных ресурсов Земли характеризуется как кризис продуцентов.

По­явление огромного количества отходов, причем часто в виде несвойственных природе веществ, привело к возникновению еще одного кризиса – кризиса редуцентов. Редуценты не успевают очищать биосферу от загрязнения, часто они на это просто не способны биологически. Это приводит к нарушению круговорота веществ в биосфере.
8.3. Человек разумный
Социально-географические особенности демографии

Во времена, когда че­ловек начал овладевать огнем численность его популяции со­ставляла менее 1 млн. чел., на заре земледелия (10 тыс. лет назад) – до 10 млн. чел. Производство продовольствия и соответствующее увеличение экологической емкости среды обеспечили дальнейшее нарастание численности людей – до 200–300 млн. к началу новой эры. В средние века темп роста несколько замедлился из-за опустошительных эпидемий и войн. Взлет демографической кривой совпадает с началом промышленной революции около 200 лет назад, когда прогресс науки, медицины и экономики позволил вновь расширить емкость среды обитания человека. Этот ускоренный рост продолжается и поныне.

Самое последнее по времени его ускорение пришлось на вторую половину XX в., т.е. на наши дни. После Второй мировой войны государства Азии и Африки, Центральной и Южной Америки с помощью Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) повели решительное наступление на болезни. Во многих странах оно оказалось успешным. Высокий прежде уровень смертности резко снизился, а высокий уровень рождаемости остался почти неизменным. Рост численности мирового населения резко увеличился.

О темпах ускорения наглядно свидетельствуют цифры: первый свой миллиард человечество отметило около 1830 г., второй – через 100 лет (1939 г.), третий – через 20 лет (1960 г.), четвертый – через 15 лет (1975 г.), пятый – через 12 лет (1987 г.), шестой – через 13 лет (2000 г.).

В 2008 г. на Земле численность человечества достигла 7 млрд. человек. Ежегодный чистый прирост составляет сейчас 80 млн. человек; за сутки численность землян увеличивается почти на четверть миллиона человек, за час – на 10 тыс., за 1 секунду – 3 человека.

По показателям роста численности мирового населения наиболее глубоки отличия между южной и северной частями нашей планеты. Несколько условно к Южному региону относят развивающиеся страны Азии (без Японии и стран бывшего СССР), Африки и Латинской Америки (к югу от США). К Северному региону относят экономически развитые страны Северной Америки (США и Канада), Европы и Северной Азии (включая страны бывшего СССР и Японию), а также Австралию и Новую Зеландию.