Биология с основами экологии

ВВЕДЕНИЕ

Биология – наука о жизни, ее формах и закономерностях. Предметом изучения биологии является весь мир живых существ, начиная от микроорганизмов примитивного строения, и до человека. Раскрывая механизмы биологических процессов, биология помогает понимать сущность разнообразных явлений природы, уяснить причины возникновения проблем в состоянии окружающей среды, здоровье человека. Живой организм представляет собой неразрывное целое, что составляет одно из его отличий от объектов неорганического мира.

В процессе эволюции организмы выработали целесообразные механизмы, приспособленные к выполнению тех или иных физиологических функций. По своему совершенству эти механизмы часто превосходят машины, которые созданы человеком, в связи с чем биологические системы могут быть использованы для создания более совершенных машин, приборов.

Живые организмы рассматриваются современной биологией в историческом развитии, в постоянном движении, изменении, в проявлениях их жизнедеятельности и существующих связях с окружающей средой. Все типы взаимодействия живых организмов между собой и с окружающей их неорганической средой, а также все формы взаимного влияния организмов, в том числе и человека со всем спектром его деятельности, и среды обитания изучает наука экология.

Целью настоящих «Методических указаний» является оптимизация выполнения практических работ студентами инженерного факультета, концентрация их внимания на основных прикладных вопросах биологии, формирование представления о картине мира в рамках существующих естественно – научных концепций. «Методические указания» призваны облегчить выполнение основной задачи курса – формирования верной мировоззренческой установки у будущих специалистов на взаимоотношения человека с природой в рамках концепции экоразвития.

Занятие № 1. Строение клетки

Цель работы: Сформулировать основные положения об организации живых систем. Ознакомиться с принципом клеточного строения организмов как принципом единства живого. Изучить строение растительной и животной клеток.

Жизнь – одна из форм существования материи, закономерно возникшая при определенных условиях. Организм – открытая система, находящаяся в стационарном состоянии: скорость поступления веществ и энергии из среды уравновешивается скоростью их переноса из системы.

Важным признаком живых организмов и свидетельством единства их происхождения является клеточное строение. Понятие «клетка» ввел Р. Гук. Немецкие ученые М. Шлейден и Т. Шванн сформулировали положения клеточной теории:

– все живое состоит из клеток;

– общий принцип развития элементарных частей организма – клеткообразование;

– все клетки сходны по химическом составу и протекающим процессам;

– каждая клетка в определенных границах есть индивидуум, но при их совместном действии возникает единое целое.

Все ткани состоят из клеток;

Пятый принцип сформулирован позже немецким врачом Р. Вирховым:

– всякая клетка происходит от клетки и предшествует клетке.

Таким образом, клетка – это сложная система, образованная из взаимодействующих компонентов.

Химические вещества входят в состав клеток в виде ионов или компонентов неорганических или органических молекул. Неорганические вещества – относительно простые соединения, которые встречаются и в живой, и в неживой природе; органическими являются многообразные соединения углерода, синтезируемые преимущественно живыми организмами.

Задание 1.

Заполните таблицу 1.

Таблица 1 – Химические вещества в клетке

У многоклеточного организма содержимое клетки отделено от внешней среды и соседних клеток плазматической мембраной, или плазмалеммой. Все содержимое клетки, за исключением ядра, носит название цитоплазмы. Она включает вязкую жидкость – цитозоль (или гиалоплазму), мембранные и немембранные органоиды. К мембранным компонентам клетки относятся ядро, митохондрии, пластиды, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли растительных клеток. К немембранным компонентам относятся хромосомы, рибосомы, клеточный центр и центриоли, органоиды передвижения (реснички и жгутики). Клеточная мембрана (плазмалемма) состоит из липидов и белков. Липиды в мембране образуют двойной слой (бислой), а белки пронизывают всю ее толщу или располагаются на внешней или внутренней поверхности мембраны. К некоторым белкам, находящимся на наружной поверхности, прикреплены углеводы. Белки и углеводы на поверхности мембран у разных клеток неодинаковы и являются своеобразными указателями типа клеток. Благодаря этому клетки, принадлежащие к одному типу, удерживаются вместе, образуя ткани. Кроме того, белковые молекулы обеспечивают избирательный транспорт сахаров, аминокислот, нуклеотидов и других веществ в клетку и из клетки. Таким образом, клеточная мембрана выполняет функции избирательно проницаемого барьера, регулирующего обмен между клеткой и средой.

Ядро – самый крупный органоид клетки, заключенный в оболочку из двух мембран, насквозь пронизанных многочисленными порами. Через них осуществляется активный обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Полость ядра заполнена ядерным соком.

В нем находятся ядрышко (одно или несколько), хромосомы, ДНК, РНК, белки, углеводы, липиды. Ядрышко формируется определенными участками хромосом; в нем образуются рибосомы. Хромосомы видны только в делящихся клетках. В интерфазном (неделящемся) ядре они присутствуют в виде тонких длинных нитей хроматина (соединения ДНК с белком). Ядро, благодаря наличию в нем хромосом, содержащих наследственную информацию, выполняет функции центра, управляющего всей жизнедеятельностью и развитием клетки (рисунки 1, 2).

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – это состоящая из мембран сложная система каналов и полостей, пронизывающая всю цитоплазму и образующая единое целое с наружной клеточной мембраной и ядерной оболочкой. ЭПС бывает двух типов – гранулированная (шероховатая) и гладкая. На мембранах гранулированной сети располагается множество рибосом, на мембранах гладкой сети их нет. Основная функция ЭПС – участие синтезе, накоплении и транспортировке основных органических веществ, вырабатываемых клеткой. Белок синтезируется гранулированной, а углеводы и жиры – гладкой ЭПС.

Рибосомы – очень мелкие органоиды, состоящие из двух субчастиц. В их состав входят белки и РНК. Основная функция рибосом – синтез белка.

Митохондрии снаружи ограничены внешней мембраной, имеющей в основном то же строение, что и плазматическая мембрана. Под наружной мембраной располагается внутренняя мембрана, образующая многочисленные складки – кристы. На кристах находятся дыхательные ферменты. Во внутренней полости митохондрий размещаются рибосомы, ДНК, РНК. Новые митохондрии образуются при делении старых. Основная функция митохондрий – синтез АТФ. В них синтезируется небольшое количество белков ДНК и РНК.

Хлоропласты – это органоиды, свойственные только клеткам растений. По своему строению они сходны с митохондриями. С поверхности каждый хлоропласт ограничен двумя мембранами – наружной и внутренней. Внутри хлоропласт заполнен студенистой стромой. В строме располагаются особые мембранные образования – граны, связанные между собой и с внутренней мембраной хлоропласта. В мембранах гран находится хлорофилл. Благодаря хлорофиллу происходит превращение энергий солнечного света в химическую энергию АТФ. Энергия АТФ используется в хлоропластах для синтеза углеводов.

Рисунок 1 – Строение животной клетки

Аппарат Гольджи состоит из 3 – 8 сложенных стопкой, уплощенных и слегка изогнутых дискообразных полостей. Он выполняет в клетке разнообразные функции: участвует в транспорте продуктов биосинтеза к поверхности клетки и в выведении их из клетки, в формировании лизосом, в построении клеточной мембраны.

Лизосомы представляют собой простые сферические мембранные мешочки (мембрана одинарная), заполненные пищеварительными ферментами, расщепляющими углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты. Их основная функция – переваривание пищевых частиц и удаление отмерших органоидов.

Рисунок 2 – Строение растительной клетки

Клеточный центр принимает участие в делении клетки и располагается около ядра. В состав клеточного центра клеток животных и низших растений входит центриоль. Центриоль – парное образование, она содержит две удлиненные гранулы, состоящие из микротрубочек и расположенные перпендикулярно друг другу центриоли.

Органоиды движения – жгутики и реснички – представляют собой выросты клетки и имеют однотипное строение у животных и растений. Движение многоклеточных животных обеспечивается сокращениями мышц. Основной структурной единицей мышечной клетки являются миофибриоллы – тонкие нити, расположенные пучками вдоль мышечного волокна.

Клеточные включения – углеводы, жиры и белки – это непостоянные компоненты клетки. Они периодически синтезируются, накапливаются в цитоплазме в качестве запасных веществ и используются в процессе жизнедеятельности организма.

Задание 2.

Охарактеризуйте строение и функции основных органелл клетки, схематически зарисуйте их, заполнив таблицу 2. Сделайте вывод о различиях в строении растительной и животной клетки.

Таблица 2 – Основные органеллы клетки, их строение и функции

По характеру клеточной организации выделяют прокариотические (доядерные) и эукариотические (ядерные) клетки. Клетки эукариотических организмов состоят из ядра, цитоплазмы и содержащихся в ней органелл. Большинство таких клеток имеют одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки. Некоторые высокоспециализированные клетки утрачивают ядра (эритроциты млекопитающих, клетки ситовидных трубок у покрытосеменных растений). Клетки прокариот лишены настоящего ядра, его функции выполняет нуклеоид. Кроме того, в их клетках практически не содержится мембранных органоидов, их функции берет на себя мезосома – совокупность складок внутреннего слоя плазмалеммы.

Задание 3.

Охарактеризуйте особенности строения прокариотических и эукариотических клеток, заполнив таблицу 3.

Таблица 3 – Строение клеток различных организмов

Проверьте свои знания, решив тестовые задания:

1. Определите среди перечисленных ниже структур ту, которая является структурной и функциональной единицей организма (выберите ответ): а) желудок; б) ген; в) сердце; г) корень; д) клетка.

2. Укажите среди перечисленных ниже названий органоидов тот, в котором реализуется фотосинтез: а) ядро; б) пластиды; в) хлоропласты; г) лейкопласты; д) митохондрии.

3. Назовите органоиды, в которых содержится ДНК (выберите ответ): а) лизосомы; 6) ядро; в) гиалоплазма; г) клеточный центр; д) реснички; е) рибосомы; ж) пластиды; з) вакуоли; и) клеточная оболочка; к) эндоплазматическая сеть; л) митохондрии.

4. Найдите среди перечисленных органоидов клетки те, которых нет в животной клетке: а) эндоплазматическая сеть; б) аппарат Гольджи; в) вакуоли; г) ядро; д) клеточная оболочка, упрочненная целлюлозой; е) пластиды; ж) клеточный центр.

5. Закончите фразу: «Клеточная оболочка растений содержит ...... которая обеспечивает механическую прочность как клетки, так и организма растения в целом».

6. Закончите фразу: «Углерод, азот, водород и кислород являются важнейшими … » (выберите ответ): а) абиогенными химическими элементами; б) химическими элементами; в) макроэлементами; г) биогенными химическими элементами; д) микроэлементами.

Контрольные вопросы:

1. Охарактеризуйте основные свойства и признаки живой материи.

2. На чем основан принцип химического единства живого?

3. Строение клетки, отличия растительных клеток от животных.

4. Сформулируйте основные положения клеточной теории.

Занятие № 2. Закономерности наследственности и изменчивости

Цель работы: Изучить принципы локализации, хранения, передачи и реализации генетической информации. Познакомиться с молекулярными механизмами наследственности и изменчивости.

Ген – элементарная единица наследственности. Каждый ген кодирует одну полипептидную цепь белка. В то же время ген представляет собой участок ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), двухцепочечная молекула которой (рисунок 3) составляет хромосому. ДНК – биологический полимер, хранитель наследственной информации, которая закодирована в последовательности нуклеотидов – мономеров, составляющих полимер.

В состав участка ДНК – гена обычно входит 1000 нуклеотидов. При делении клеток (митозе) ДНК материнской клетки предварительно удваивается в количестве (реплицируется), в результате чего дочерние клетки получат точные копии ДНК, а соответственно, одинаковые наборы генов. Таким образом информация будет передана последующему поколению клеток.

Репликация – синтез новых цепей ДНК на матрице старых на основе принципа комплементарности азотистых оснований, антипараллельности и полуконсервативности. Пуриновые азотистые основания (аденин и гуанин) комплементарны пиримидиновым (тимин и цитозин). Азотистое основание, связанное ковалентной связью с остатком пятиуглеродного сахара дезоксирибозы и остатком фосфорной кислоты представляет собой нуклеотид – мономер ДНК. Основание аденин (А) комплементарно тимину (Т), гуанин (Г) – цитозину (Ц). Нуклеотиды, содержащие соответствующие азотистые основания, располагаются на цепях напротив и связываются между собой водородными связями. В ходе репликации двухцепочечная молекула расплетается и начинается синтез комплементарной цепи на каждой из материнских «матриц».

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.