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: 8 из 20

1. Ядро Земли. Занимает центральную область земного геоида. Средний радиус ядра около 3500 км и состоит из двух частей: внутрен­нее ядро из железа (80 %) и никеля (20 %), температура 4500 °С; внешнее ядро содержит железо (52 %) с примесью никеля и серы, температура 3200 °С.

2. Мантия. Наиболее мощная оболочка Земли, составляет 2/3 ее массы и большую часть ее объема. Мантию образуют различные сили­каты – соединения кремний. Толщина достигает 2800 км.

Мантию делят на верхнюю, среднюю и нижнюю части.

В расплавленном состоянии находится астеносфера – нижняя часть верхней сферы, подстилающая литосферу, в ее преде­лах формируются очаги глубокофокусных зем­летрясений.

3. Литосфера. Это земная кора с частью подстилающей ее мантии, толщиной порядка 100 км. В верхней части слагается гранитами, в нижней – базальтами. На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности атмосферы, гидросферы и биосферы возникла почва.

Современный рельеф планеты складывался на протяжении многих миллионов лет. Так, 600 млн. лет назад на Земле было несколько подвижных конти­нентальных плит, объе­динившихся в единый суперконтинент Пангея. Спустя 300–200 млн. лет, Пангея начала распадаться на части, что привело сначала к образова­нию континентов Гондваны и Лавразии, а затем из них сформировались современные материки.

4. Гидросфера. Водная оболочка Земли появилась в результате дегазации земных недр. Мировой океан возник из мантийных паров, путем конденсации воды. Общие запасы воды на Земле 1,5 млрд. км³, из них 97 % – соленая морская вода (растворены соли в среднем 3,5 %), 2 % – замершая вода ледников, 1 % – пресная вода.

Мировой океан занимает 71 % поверхности планеты и делится материками на 4 части: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны.

5. Атмосфера. Воздушная оболочка Земли появилась в результате дегазации метана земных недр.

Первичная атмосфера состояла из углекислого газа, окиси углерода, водяных паров, метана, аммиака.

Современная атмосфера состоит из воздуха: азот N₂ – 78%, кислород О₂ – 21%, аргон – 0,9%, 0,03% СО₂ и 0,003% смесь других газов.

В атмосфере выделяют слои:

- тропосфера – нижний слой, до высоты 10–18 км, 4/5 массы воздуха; при удалении от поверхности Земли температура понижается на 6 С; доходит до –70 С.

- стратосфера – от 20 до 50 км; температура повышается (на 1–2 С на 1 км) и достигает 0 С; в стратосфере находится озоновый слойс максимумом концентрации на высоте 20–25 км – поглощает опасное для всего жи­вого жесткое ультрафиолетовое излучение, благо­даря чему на Земле сформировалась и существует жизнь.

- мезосфера – высота от 50 до 80 км, вновь происходит понижение температуры с высотой до –110 С.

- термосфера – от 80 до 1000 км, температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (свыше 1000 K).

- экзосфера – от 1000 до 3000 км, температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство.

6. Магнитосфера. Внешняя оболочка, свойства которой определяются магнитным полем Земли. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000° до 10 000° С. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения, а, следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является «горячим» в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика.
6.8. Тектоника литосферных плит.

Эволюция атмосферы и гидросферы
Из-за геодинамических процессов на Земле постоянно происходит видоизменение земной коры и ее поверхности.

Теории неомобилизма (теории дрейфа континен­тов): верхний слой земной коры (литосфера) состоит примерно из пятнад­цати жестких плит, из них 6–7 являются крупными, которые могут сталкиваться, погружаться друг под друга и надвигаться одна на другую.Эти плиты плавают, медленно скользя и перемещаясь горизонтально, на горячем, пластичном слое мантии нашей планеты –астеносфере. Вместе с плитами могут перемещаться и кон­тиненты.

По этой модели предполагают: через несколько сот миллионов лет может возникнуть новый континент из Азии и Северной и Южной Америки. Атлантический океан будет расширяться, а Тихий океан закро­ется из-за субдукции Восточно-Тихоокеанского спредингового центра.

Геодинамические процессы в геологии делят на две большие группы: эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние).

Эндогенные процессы – это геодинамические процессы, вызванные внутренними силами Земли и совершаются в ее недрах. Они обусловлены энергией и действием сил тяжести, возникающих при вращении Земли, а проявляются в виде поднятие и опускание земной коры, землетрясения, процессов магматизма (вулканизма), метаморфизма горных пород.

Экзогенные процессы – это процессы, происходящие на поверхности Земли или на небольшой глубине в земной коре и обусловлены энергией солнечного излучения, гравитационной силой и жизнедеятельностью организмов. К ним относятся выветривание, заболачивание, оползни, лавины, обвалы, деятельность водных потоков, морей, озер, ледников.

Географические следствия, связанные с вращением Земли: сжатие земного геоида; смена дня и ночи; образование поворотной силы.

Сила Кориолиса или поворотная сила: всякое движущееся тело по направлении к экватору в северном полушарии отклоняется вправо, а южном – влево, на экваторе сила равна нулю.

Действие силы Кориолиса распространяется на многие явления географической оболочки: ветры умеренных широт обоих полушарий принимают преимущественно западное направление, а в тропических – восточное (пассатное). Аналогичное проявление обнаруживается в направлении океанических вод, но течения смешаются от господствующих ветров под углом 30–35° вправо или влево в зависимости от полушария.

Корисолисной силой можно объяснить закон Бэра: правые берега рек серенного полушария круче левых, а в южных – наоборот.
Литература: 1–3, 5–9.

Лекция 7. ЖИЗНЬ
Биология (bios – жизнь, logos – наука, учение) – наука о живых организмах.

Биологические науки лежат в основе возможности сохранения биосферы Земли с целью создания оптимальных условий для жизни людей на планете. Только на основе биологических исследований возможно решение гло­бальных проблем современного человечества – повышения про­дуктивности сельского хозяйства, рационального использования и возобновления природных ресурсов, охраны окру­жающей среды.

Современная биология – комплексная система знаний, вклю­чающая в себя большое количество самостоятельных биологи­ческих наук: молекулярную биологию, цитологию, гистологию, ана­томию, физиологию, зоологию, ботанику, ге­нетику, эволюционное учение, экологию и др.
7.1. Структурная иерархия живой материи.

Феноменология жизни
Признаки живой материи

М.В. Волькенштейн предложил следующее определение жизни: «Живые тела, существующие на Земле, представ­ляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящие­ся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот». Строго и четкого определения понятия «жизнь» не существует, однако возможно перечислить и описать те признаки живой материи, которые ее отличают от неживой.

1. Определенный химический состав. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в неживые объекты, однако их соотношение различно. Основными биогенными элементами являются макроэлементы H, C, O, N(98% массы живых организмов). Помимо них важны микроэлементы Na, Mg, Cl, P, S, Fe, Ca и др. Кроме того, все живые организмы построены из 4 основных групп органических веществ: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и липиды.

2. Клеточное строение. Все живые организмы имеют определенную организацию, структурной и функциональной единицей которой для всех организмов (кроме вирусов) является клетка.

3. Обмен веществ и энергозависимость. Организмы – открытые системы, являющиеся устойчивыми лишь при непрерывном доступе к ним веществ и энергии извне. При этом живая система постоянно находится в состоянии динамического равновесия.

4. Саморегуляция. Живые организмы обладают способностью поддерживать постоянство своего хим. состава и интенсивность обменных процессов.

5. Раздражимость – способность организма отвечать на определенные воздействия специфическими реакциями. Наиболее яркой формой проявления раздражимости является движение. У растений это тропизмы, ростовые движения, у примитивных животных – таксисы. Реакции многоклеточных на раздражение осуществляются с помощью нервной системы и называются рефлексами.

6. Наследственность. Для живых организмов характерна способность передавать признаки и свойства в неизменном виде из поколения в поколение с помощью носителей информации ДНК.

7. Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства; создает разнообразный материал для естественного отбора.

8. Размножение – способность живых существ воспроизводить себе подобных. Благодаря размножению осуществляются смена и преемственность поколений. Типы размножения:бесполое(осуществляется неполовыми, соматическими клетками)иполовое(осуществляется половыми клетками).

Бесполое размножение наиболее широко распространено среди прокариот, грибов и растений, но встречаются и у различных видов животных. Основные формы бесполого размножения: деление, спорообразование, почкование, фрагментация, вегетативное размножение и клонирование (клон – генетическая копия одной особи).

Половое размножение характерно для подавляющего большинства живых организмов и имеет огромное биологические значение. Вся совокупность явлений, связанных с половым размножением, складывается из 4 основных процессов: 1) гаметогенез – образование половых клеток (гамет); 2) оплодотворение (сингамия – слияние гамет и их ядер) и образование зиготы; 3) эмбиогенез (дробление зиготы и формирование зародыша); 4) дальнейший рост и развитие организма в послезародышевый (постэмбриональный) период.

Биологическое значение полового размножения заключается не только в самовоспроизведении особей, но и в обеспечении биологического разнообразия видов, их адаптивных возможностей и эволюционных перспектив. Это позволяет считать половое размножение биологически, более прогрессивным, чем бесполое.

Для некоторых групп организмов характерны нерегулярные типы полового размножения – партеногенез – развитие зародыша из неоплодотворенной яйцеклетки (пчелы, муравьи, термиты, тля, дафнии), она обеспечивает быстрый рост численности видам.

9. Онтогенез – индивидуальное развитие. Новый организм возникает в большинстве случаев в результате слияния половых клеток (гамет). В процессе роста и развития постепенно возникает специфическая организация индивида. Продолжительность жизни особей ограничена процессами старения, приводящими в конечном итоге к смерти.

10. Филогенез – эволюционное развитие. Все живые организмы существуют не только в пространстве, но и во времени. Филогенез есть необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся появлением новых видов и прогрессивным усложнением жизни.

11. Целостность и дискретность. С одной стороны, живая материя целостна, определенным образом организована, подчиняется ряду специальных только для нее характерных законов. С другой стороны, она дискретна (делима), т.к. любая биол. система состоит из обособленных, хотя и тесно взаимосвязанных элементов.

12. Негэнтрорийность. Согласно II закону термодинамики все процессы, самопроизвольно протекающие в изолированных системах, развиваются в направлении понижения упорядоченности, т.е. возрастания энтропии. В то же время по мере роста и развития живые организмы, наоборот, усложняются, что казалось бы противоречит второму началу. На самом деле это мнимое противоречие. Дело в том, что живые организмы представляют собой открытые системы. Организмы питаются, поглощая при этом энергию извне, выделяют в окружающую среду тепло и продукты жизнедеятельности, наконец, погибают и разлагаются. По образному выражению Э. Шредингера: «организм питается отрицательной энтропией»; совершенствуясь и усложняясь, организмы вносят хаос в окружающий их мир.

Кроме перечисленных, иногда выделяют физиологические свойства, присущие живому – рост, развитие, выделение и т.д.

Принцип дискретности лег в основу представлений об уровнях организации живой материи.
Уровни организации живой материи

Уровень организации – функциональное место биологической структуры определенной степени сложности. Выделяют следующие уровни организации живой материи.

Молекулярный (молекулярно-генетический) – включает в себя способ существования и самовоспроизводства сложных информационных органических молекул, высокомолекулярные органические соединения, такие как белки, вирусы, плазмиды, нуклеиновые кислоты и др.

Субклеточный (надмолекулярный) – живая природа организуется в органоиды: хромосомы, клеточную мембрану, эндоплазматическую сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, рибосомы и другие субклеточные структуры.

Клеточный – живая природа представлена клетками, т.е. элементарной структурной и функциональной единицей живого.

Органо-тканевый – живая природа организуется в ткани и органы. Ткань – совокупность клеток, сходных по строению и функциям, а также связанных с ними межклеточных веществ. Орган – часть многоклеточного организма, выполняющая определенную функцию или функции.

Организменный (онтогенетический) – живая природа представлена организмами. Организм (особь, индивид) – неделимая единица жизни, ее реальный носитель, характеризующийся всеми ее признаками.

Популяционно-видовой – живая природа организуется в популяции. Популяция – совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Вид – совокупность особей (популяций), способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимающих в природе определенную область (ареал).

Биоценотический – живая природа образует биоценозы – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.

Биогеоценотический – живая природа формирует биогеоценозы – совокупность биоценоза и абиотических факторов среды обитания (климат, почва).

Биосферный – живая природа формирует биосферу – оболочку Земли, преобразованную деятельностью живых организмов.

Предсказать свойства каждого следующего уровня на основе свойств предыдущих уровней так же невозможно, как предсказать свойства воды, исходя из свойств кислорода и водорода. Такое явление носит название «эмерджментность», т.е. наличие у системы особых, каче­ственно новых свойств, не присущих сумме свойств ее отдельных эле­ментов. С другой стороны, знание особенностей отдельных составля­ющих системы значительно облегчает ее изучение.
7.2. Молекулярные процессы в клетке
Цитология – наука о клетке (от греч. цитос – клетка, логос – наука).

Клетка – элементарная живая система, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.

Одним из крупнейших обобщений XIX в. стала клеточная теория (изложенная в трудах Т. Шванна, М. Шлейдена и Р. Вирхова). Современная клеточная теория включает следующие поло­жения:

– все живые организмы состоят из клеток (исключение составляют вирусы); клетки одноклеточных и многоклеточных животных и растительных организмов сходны (гомологичны) по строению, химическому составу, принципам обмена веществ и основным проявлениям жизнедеятельности.

– все живые организмы развиваются из одной или группы клеток; каждая новая клетка образуется в результате деления сходной (материнской) клетки.

– в сложных многоклеточных организмах клетки диффе­ренцируются, специализируясь по выполнению определенной функции; клетки объединены в ткани и органы, функционально вязанные в системы, и находятся под контролем межклеточных, гуморальных и нервных форм регуляции.

Из 112 элементов Периодической системы Д.И. Менделеева, в состав организмов входит более половины, причем 24 из них являются обязательными и обнаруживаются почти во всех типах клеток. Химические элементы образуют неорганические и органические соединения.

Вода – преобладающий компонент всех живых организмов; среднее содержание в клетках большинства организмов составляет около 70 %. Воды выполняет следующие функции: универсальный растворитель, среда для протекания биохимических реакций, терморегулятор (поддерживает тепловое равновесие клеток благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности), осуществляет транспорт веществ, определяет осмотическое давление, вода – источник кислорода, выделяющегося при фотосинтезе.

Минеральные вещества – составляют до 1,5% сырой массы клетки. Наиболее важны H⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, HPO₄^2–, H₂PO₄^–, Cl, HCO₃^–. Функции неорг. веществ: образуют межмембранный потенциал, поддерживают рН в клетке (буферные системы HPO₄^2–, H₂PO₄^– и CO₃^2–, HCO₃^–), создают осмотический потенциал, образуют скелет позвоночных, раковины моллюсков, активируют ферменты.

Углеводы (сахариды) – C_n(H₂O)_m, в клетке от 0,2 до 2% в расчете на сухую массу. Моносахариды: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза. Дисахариды: мальтоза, лактоза, сахароза. Полисахариды: гликоген, крахмал, целлюлоза, хитин. Биологическое значение: энергетическая, структурная, запасающая, защитная функции.

Липиды – нерастворимые в воде орг. вещества (гидрофобны), содержание в клетках от 1 до 15%, в жировых до 90%. К липидам относятся: жиры (сложные эфиры глицерина и высокомолекулярных жирных кислот), воска, стеролы. Биологическое значение: энергетическая, запасающая, структурная, защитная, регуляторная, функции.

Белки (полипептиды) – полимеры, состоящие из аминокислот (АК). Из 300 известных АК, лишь 20 АК обнаружены в составе белков. Растения способны самостоятельно синтезировать все 20 АК, а животные лишь часть из них, поэтому остальные, называемые незаменимыми, они должны получать с пищей. Биологическое значение: каталитическая, структурная, регуляторная, защитная, транспортная, энергетическая функции. Изменение свойств, строения и биологической активности белка – денатурация.

Нуклеиновые кислоты – моно- или полинуклеотиды, выполняющие в клетке очень важные функции. Мононуклеотиды выступают в качестве источника энергии (АТФ), полинуклеотиды обеспечивают хранение и передачу наследственной информации (ДНК, РНК).

Мононуклеотид состоит из трех компонентов:

1) азотистого основания: пурунового – аденин (А), гуанин (Г) или пиримидинового – цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У);

2) пятиуглеродного сахара – рибозы или дезоксирибозы;

3) остатков фосфорной кислоты.

Строение молекулы ДНК расшифровали Дж.Уотсон и Ф.Крик.

В нуклеотиде ДНК содержится одно из четырех азотистых оснований – А, Г, Т или Ц, сахар – дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. В нуклеотиде РНК содержится одно из четырех азотистых оснований – А, Г, У (вместо Т) или Ц, сахар – рибоза и остаток фосфорной кислоты

ДНК большинства живых организмов (кроме вирусов) состоят из двух антипараллельно направленных полинуклеотидных цепей, связанных водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности: А=Т, Г≡Ц.

ДНК обладает способностью к самоудвоению – репликации и способностью к самовосстановлению – репарации.
Строение клеток

Среди всего многообразия ныне существующих на Земле организмов выделяют вирусы, не имеющие клеточного строения, все остальные организмы представлены разнообразными клеточными формами жизни. Различают два типа клеточной организации: прокариотический и эукариотический.

Вирусы– облигатные внутриклеточные генетические паразиты (ВИЧ, вирусы гриппа, оспы, бешенства, герпеса, гепатита). Обычно вирусы состоят из молекулы нуклеиновой кислоты и белковой оболочки – капсида.

Надцарство прокариот (включает царство Архебактерии, Эубактерии, Цаинобактерии) – одноклеточные организмы, не имеют ядра –. По спо­собу питания среди бактерий встречаются фототрофы, хемотрофы, сапрофиты, паразиты. Сапротрофные бактерии участвуют в разложе­нии органических останков растений и

Клетки прокариотических организмов устроены сравнительно просто. В них нет морфологически обособленного ядра, единственная хромосома образована кольцевидной ДНК и находится в цитоплазме, мембранные органеллы отсутствуют (их функцию выпол­няют различные впячинания плазматической мембраны). К надцарству прокариот относят бактерий. Они были единственной формой жизни на Земле по крайней мере в течение 2 млрд. лет. Одну из групп фотосинтезирующих бактерий (синезеленые водоросли, или цианобактерии) раньше относили к водорослям. Однако в настоящее время их рассматривают как специфическую группу бактерий.

Большинство современных живых организмов относится к одному из трех царств – растений, грибов и животных, объединя­емых в надцарство эукариот (рис. 7.1).



Рис. 7.1. Электронно-микроскопическое строение животной (А)

и растительной (Б) клеток
Для растительных клеток характерно наличие толстой целлюлозной клеточной стенки, различных пластид, крупной центральной вакуоли, смещающей ядро к периферии. Клеточный центр высших растений без центриоли. В качестве резервного питательного углевода клетки растений запасают крахмал.

В клетках грибов клеточная оболочка содержит хитин, в цитоплазме имеется центральная вакуоль, отсутствуют пластиды. Главным резервным полисахаридом является гликоген.

Животные клетки имеют, как правило, тонкую клеточную стенку, не содержат пластид и центральной вакуоли, для клеточного центра характерна вакуоль. Запасным углеводом является гликоген.

В зависимости от количества клеток, из которых состоят организмы, последние делят на одноклеточные и многоклеточные. Одноклеточными являются все прокариоты, а также простейшие, некоторые зеленые водоросли и грибы. Несмотря на индивидуальные особенности, все клетки построены по единому плану и имеют много общих черт.

Эукариотическая клетка состоит из трех компонентов: оболочки, цитоплазмы и ядра.

Снаружи клетка окружена оболочкой, основу которой составляет плазматическая мембрана или плазмолемма. Мембраны состоят из белков и липидов (бимолекулярный слой). Мембраны, обладают свойством избирательной проницаемости (способны пропускать одни веществ и не пропускать другие), а также свойством самопроизвольного восстановления целостности структуры. Углеводный компонент в составе клеточных оболочек разных клеток выражен в различной степени: в животных клетках он относительно тонок и называется гликокаликсом, в растительных клетках углеводный компонент сильно выражен и представлен целлюлозной клеточной стенкой.

Внутреннее содержимое клетки представлено цитоплазмой, состоящей из основного вещества, или гиалоплазмы (т.е. водный раствор неорганических и органических веществ), и находящихся в нем разнообразных внутриклеточных структур. Последние представлены: 1 – вклю­чениями – относительно непостоянные компоненты, например запасные пита­тельные вещества (зерна крахмала, белков, капли гликогена) или продукты, подлежащие выведению из клетки (гранулы секрета); 2 – органоидами – постоянные и обязательные компоненты боль­шинства клеток, имеющие специфическую структуру и выполня­ющие жизненно важные функции.

К органоидам клетки не имеющим мембранного строения относят рибосомы, микрофиламенты. микротрубочки, клеточный центр.