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: 9 из 20

Рибосомы – структуры, состоящие из примерно равных по массе количеств рРНК и белка, представлены субъединицами: большой и малой. Функция рибосом – сборка белковых молекул.

Микротрубочки и микрофиламенты – нитевидные структуры, состоящие из различных сократительных белков, обуславливающие двигательные функции клетки.

Клеточный центр (центросома) состоит из двух центриолей, участвующих в формировании митотического веретена клетки. Каждая центриоль имеет вид полого цилиндра, стенка которого образована 9 триплетами микротрубочек.

К мембранным органоидам эукариотической клетки относят структуры с одинарной мембраной – ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы, а также органоиды с двумя мембранами – митохондрии и пластиды. По симбиотической гипотезе о происхождении эукариотической клетки, митохондрии и пластиды являются потомками древних прокариот. Эти органеллы подуавтономны, т.к. обладают собственным аппаратом биосинтеза белка (ДНК, РНК, ферменты).

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – разветвленная система полостей, трубочек и каналов. ЭПС – место синтеза белков и липидов, а также их транспорта внутри клетки. На мембране шероховатой ЭПС располагаются рибосомы (синтез белков). Мембраны гладкой ЭПС содержат ферменты синтеза почти всех липидов.

Аппарат Гольджи состоит из дисковидных мембранных полостей и отшнуровывающихся от них микропузырьков. Попадающие в АГ белки и липиды сортируются, упаковываются в секреторные пузырьки и транс­портируются к различным внутриклеточным структурам или за пределы клетки. Мембраны аппарата Гольджи способны образовывать лизосомы.

Лизосомы выполняют функцию внутриклеточного пере­варивания макромолекул пищи и чужеродных компонентов, поступающих в клетку. Для осуществления этих функций лизосомы содержат около 40 ферментов, разрушающих белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы.

Митохондрии важнейшие органоиды клетки, осуществляющие аэробное дыхание, в котором образуется основная часть молекул АТФ. Митохондрии называют энергетическими станциями клетки. Внутренняя мембрана образует многочисленные выросты кристы, пространство между ними заполнено матриксом, содержащим различные ферменты, НК, рибосомы.

Пластиды присутствуют только в растительных клетках. Известны три типа пластид: хлоропласты, хромо­пласты и лейкопласты. Бесцветные лейкопласты выполняют запасающую функцию в корнях, семенах, клубнях, листьях. Желто-оранжевые хромопласты определяют окраску плодов, цветков, листьев. Зеленые хлоропласты на внутренней мембране имеют выросты – ламеллы, на которых расположены уплощенные пузырьки – тилакоиды, сложенные в стопки – граны. В мембранах гран находится хлорофилл, обеспечивающий протекание световой фазы фотосинте­за.

Специализированными органоидов общего значения являются сократительные вакуоли, синаптические пузырьки нервных клеток, микроворсинки эпителиальных клеток, реснички и жгутики.

Клеточное ядро – наиболее важный компонент эукариотических клеток (нет в проводящих клетках флоэмы и эритроцитах). Большинство клеток имеют одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки. В состав ядра входят ядерная оболочка и кариоплазма, содержащая хромосомы. Хромосомы – молекулами ДНК в комплексе с белками. Число хромосом в клетках каждого биологического вида постоянно. Обычно в ядрах клеток тела (соматических) хромосомы представлены парами, в половых клетках они непарны. Одинарный набор хромосом в половых клетках называют гаплоидным (n), набор хромосом в соматических клетках – диплоидным (2n).

Диплоидный набор хромосом конкретного вида живых организмов, характеризующийся числом, величиной и формой хромосом, называется кариотипом.

Кариотип человека представлен 46 хромосомами (23 пары): 44 аутосомы и 2 половые хромосомы (у женщины две одинаковые X-хромосомы, у мужчины – Х и Y-хромосомы).

Пол, образующий гаметы одинаковые по половой – гомогаметный – XX, а пол образующий разные гаметы – гетерогаметный – XY.

У млекопитающий (в т.ч. человека), червей, большинства членистоногих, земноводных, некоторых рыб гомогаметным является женский пол, а гетерогаметным – мужской.
Воспроизведение клеток

Деление клеток – жизненно важный процесс для всех организмов. В человеческом организме, состоящем примерно из 10¹³ клеток, каждую секунду должны делиться несколько миллионов из них. Существует несколько типов деления клеток.

Митоз – универсальный способ деления эукариотических кле­ток, состоящий из 4 фаз: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. При митозе образуются клетки с наследст­венной информацией, которая качественно и количественно идентична информации материнской клетки

Амитоз – прямое деление ядра две почти равные части, но дочерние клетки получают наборы неидентичные материнскому. Таким способом делятся стареющие и патологически измененные клетки, а также клетки эндосперма и кожного эпителия.

Мейоз (от греч. мейозис – уменьшение) – своеобразный способ деления клеток, приводящий к уменьшению в них числа хромосом вдвое. Мейоз является центральным звеном гаметогенеза у животных и спорогенеза у растений. Мейоз состоит из двух последовательных делений, которым предшествует однократная редупликация ДНК. После двух последовательных мейотических делений из одной клетки с диплоидным набором двухроматидных хромосом (1n4с) образуются четыре клетки с гаплоидным набором однохроматидных хромосом (nс).

Мейоз – основа комбинативной изменчивости, обеспечивая генетическое разнообразие гамет бла­годаря процессам кроссинговера– обмена участками между гомологичными хромосомами в профаза I, расхождения и комбинаторики отцовских и материнских хромосом.
Обмен веществ и превращение энергии в клетке

Все живые организмы, обитающие на Земле, представляют собой открытые системы, способные активно организовывать поступление энергии и вещества извне. В зависимости от источников углерода живые организмы делят на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы– организмы, способные создавать органические вещества из неорганических при использовании солнечной энергии (растения и некоторые бактерии). Выделяют фотоавтотрофы – организмы, использующие солнечную энергию (зеленые растения, цианобактерии) и хемоавтотрофы – организмы, использующие энергию неорганических соединений (нитрофицирующие, серобактерии).

Гетеротрофы– организмы, питающиеся готовыми органическими веществами (животные, грибы, многие бактерии). Выделяют сапротрофы – организмы, питающиеся мертвым органическом веществом и биотрофы (биофаги)– организмы, поедающие другие живые организмы.

Миксотрофы – организмы, которые могут питаться и как автотрофы, и как гетеротрофы (эвглена, вольвокс).

Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма – обмена веществ.

Реакции синтеза, осуществляющиеся с потреблением энергии, составляют основу анаболизма (пластического обмена или ассимиляции); реакции расщепления, сопровождающиеся высвобождением энергии, составляют основу катаболизма (энергетического обмена или диссимиляции). Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой.

Все синтетические процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме – аденозинтрифосфата (АТФ). Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения неорганического фосфата к АДФ.

Энергетический обмен (катаболизм) делится на несколько этапов:

1) подготовительный этап (расщепление сложных углеводов до простых – глюкозы, жиров до жирных кислот и глицерина, белков до АК);

2) бескислородный этап дыхания – гликолиз, в результате глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты (ПВК):

C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₄O₃ + 2H₂O + 2АТФ

3) кислородный этап дыхания – полное окисление осуществляется в митохондриях эукариот в присутствии кислорода и образуется 36АТФ.

Пластический обмен (ассимиляция) представляет собой совокупность реакций, обеспечивающих синтез сложных органических соединений в клетке. Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул. Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды.
Биосинтез белка

Биосинтез белка – система сложных и последовательных реакций; основными компонентами являются молекулы ДНК, все типы РНК, АТФ, ферменты, аминокислоты. Процесс состоит из нескольких этапов.

1. Транскрипция – синтез иРНК на матрице одной из цепей ДНК, т.е. переписывание информации, хранящейся в молекуле ДНК.

2. Трансляция – процесс перевода генетической информации иРНК в последовательность АК в полипептиде.

Процесс осуществляется в рибосомах на иРНК, в ней в виде последовательности нуклеотидов содержится генетический код о белковых молекулах. В состав белков входит 20 аминокислот, их кодируют четыре вида нуклеотидов (А, Г, Ц, У) по три:

3 нуклеотида → 1 аминокислота

Три нуклеотида, образующих кодовый знак, называют триплетом. Например, ААА – лиз, АГА – арг, ГЦУ – ала. Триплеты в молекуле РНК называют кодонами, а комплементарные им триплеты молекул тРНК – антидодонами. Многие АК кодируются более чем одним кодоном (АГУ, АГЦ, УЦУ и др. – сер); в этом смысле код является вырожденным.

Генетический код одинаков, т.е. универсален для всех живых организмов.

7.3. Происхождение жизни и основные этапы ее эволюции
Гипотезы происхождения жизни на Земле

Креационизм – земная жизнь была создана Творцом. Представления о Божественном сотворении мира придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений.

Гипотеза стационарного состояния – жизнь, как и сама Вселенная, существовала всегда, и будет существовать вечно, не имея начала и конца. Вместе с тем отдельные тела и образования – галактики, звезды, планеты, организмы – возникают и погибают, т.е. существование во времени ограничено. Жизнь могла распространяться от одной галактики к другой и эта идея «заноса» на Землю жизни из Космоса называется панспермией.

Гипотеза самозарождения жизни из неживой материи и биохимической эволюции. Идеи о самозарождении жизни высказывались еще со времен античности. На протяжении тысячелетий они верили в возможность постоянного самопроизвольного зарождения жизни, считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. По мнению многих ученых средневековья, рыбы могли зарож­даться из ила, черви – из почвы, мыши – из тряпок, мухи – из гнилого мяса. В XVII в. итальянский ученый Ф. Реди эксперимен­тально показал невозможность постоянного самозарождения живого. В нескольких стеклянных сосудах он поместил кусочки мяса. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Личинки мух появились только в открытых сосудах, в закрытых их не было.

Принцип Реди: «живое – от живого».

Окончательно версия о постоянном самозарождении живых организмов была опровергнута в середине XIX в. Л. Пастером. Опыты убедительно показывали, что в современную эпоху живые организмы любого размера происходят от других живых организмов.

Но как же возникли первые живые существа?

По представлениям, высказанным в 20-х гг. ХХ в. А.И. Опариным, а затем Дж. Холдейном, жизнь, а точнее, живое, возникло из неживой материи на Земле в результате химической эволюции, чему способствовали следующие условия: первоначальное отсутствие жизни; наличие в атмосфере соединений, обладающих восстановительными свойствами (при почти полном отсутствии О₂); наличие воды; относительно высокая температура, мощные электрические разряды, высокий уровень УФ-излучения.

К настоящему времени учеными предложены б.м. вероятные объяснения, каким образом в первичных условиях Земли из неживой материи постепенно, шаг за шагом, развились разнооб­разные формы жизни. Более того, достоверность этих гипотетических путей удалось в какой-то мере подтвердить экспериментально. Образование органических соединений (мономеров) из газов, присутствующих в первичной атмосфере Земли, можно воспроизвести и изучить в лабораторных условиях (С. Миллер).

Согласно теории А.И. Опарина, в отсутствие кислорода и живых организмов, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане – «первичном бульоне». Белковые молекулы благодаря их амфотерности формировали коллоидные гидрофильные комплексы (т.е. молекулы воды, образуя вокруг белковых молекул оболочку, обособляли их от всей массы воды). При этом отдельные комплексы ассоциировались друг с другом, что приводило к образованию обособленных от первичной среды капель коацерватов, способных поглощать и избирательно накапливать различные соединения. Естественный отбор способствовал выживанию наиболее устойчивых коацерватных систем, способных к дальнейшему усложнению. Дальнейшая самоорганизация сложных молекул, происходившая за счет концентрирования на границе между коацерватами и внешней средой молекул липидов, привела к образованию перегородок мембранного типа. Во внутренних полостях коацерватов, куда уже только выборочно проникать молекулы, началась эволюцию от хим.реакций к биохимическим. Одной из важнейших ступеней этой теории явилось объединение способности полинуклеотидов с каталитической активностью белков-ферментов.

Точка зрения Опарина и его сторонников по существу сформировала гипотезу голобиоза: структурную основу доклеточного предка (биоида) составляют жизнеподобные открытые (коацерватные) микросистемы, типа клеточной, способные к элементарному обмену веществ при участии фермент­ного механизма. Первичной была бел­ковая субстанция.

Гипотеза генобиоза: первичной была макромолекулярная система, подобная гену, способная к саморепродукции. Первичной была признана мо­лекула РНК.
Начальные этапы развития жизни на Земле

Как полагают, первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3,0–3,5 млрд. лет назад – анаэробные, гетеротрофные прокариоты, они питались синтезированными абиогенно органическими веще­ствами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения.

При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности, т.е. к синтезу органических веществ из неорганических. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии. Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез.

Для первых фотосинтезирующих бактерий источником элект­ронов был сероводород. Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.

Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточногосимбиогенеза, эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга.

Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки. Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,5 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось 2,5 млрд. лет
7.4. Генетика и эволюция
Генетика – наука, изучающая наследственность и изменчивость.

Единицей наследственной информации является ген, ответственный за формирование какого-либо элементарного признака. Гены располагаются в локусах (участках) хромосом. Гены в одинаковых локусах гомологичных хромосом и отвечающие за развитие вариантов какого-либо признака, называют аллельными. Их принято обозначать буквами латинского алфавита. Аллельные гены могут быть доминантными (А, В) или рецессивными (a, b).

Фенотип – совокупность всех признаков и свойств организма.

Генотип – совокупность всех генов организма.

Генофонд – совокупность генов популяции.

Кариотип – совокупность морфологических признаков хромосом вида (размер, форма, детали строения, число и т. д.).
Закономерности наследования

Первый закон Менделя (закон единообразия): при скрещивании гомозиготных особей, все гибриды первого поколения едино­образны. Например, при скрещивании растений с желтыми семенами АА и растений с зелеными семенами аа, гибриды первого поколения оказываются все с желтыми семенами Аа (рис. 7.2).

Второй закон Менделя (закон расщепления): при моногибридном скрещивании гетерозиготных особей во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу 3:1 и по генотипу 1:2:1.

Третий закон Менделя (закон независимого наследования): гены разных аллельных пар и соответствующие им признаки наследуются независимо.

Рис. 7.2. Первый закон Менделя

Закон Моргана (закон сцепленного наследования): гены, локализованные в одной хромосоме наследуются сцеплено. Признаки, гены которых находятся в половых хромосомах, наследуются сцеплено с полом (гемофилия – несвертываемость крови, дальтонизм – неспособность различать красный и зеленый цвета).
Изменчивость

Различия между видами и различия между особями внутри вида наблюдаются благодаря всеобщему свойству живого – изменчивости. Выделяют ненаследственную и наследственную изменчивость.