МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Биологический факультет

Кафедра микробиологии

И.В. ДАРМОВ

Общая биология

Курс лекций

Учебное пособие

Допущено редакционно-издательской комиссией методического совета ФГБОУ ВПО «ВятГУ» в качестве учебного пособия для студентов направления 020400.62 «Биология» всех профилей подготовки

Рецензенты:

доцент кафедры биотехнологии ФГБОУ ВПО «ВятГУ»,

кандидат биологических наук О. Н. Шуплецова;

главный научный сотрудник НИЦ 33 ЦНИИИ МО РФ, г. Киров, доктор биологических наук, профессор В.Б. Калининский

Дармов, И.В.

Учебное пособие предназначено для студентов направления 020400.62 «Биология» всех профилей подготовки, изучающих дисциплину «Общая биология».

Тех. редактор Е.В. Кайгородцева

© ФГБОУ ВПО «ВятГУ», 2014

1.Биология как наука. Свойства живых систем……………………………...4

2.Основы цитологии. Прокариоты…………………………………………..17

3.Основы цитологии. Эукариоты. Мембранные компоненты …………….21

4.Основы цитологии. Эукариоты. Немембранные компоненты…....……..29

5.Бесполое размножение. Митоз……………………………………………..34

6.Половое размножение. Мейоз………………………...……………………43

7.Основные закономерности наследственности……………………...……54

8.Основные закономерности изменчивости……………………………...…64

9.Биологическое разнообразие……………………………………………….79

Список использованных источников……………………………….…….105

Лекция №1

Тема лекции: Биология как наука. Свойства живых систем.

План лекции:

1. Биология как наука

2. Методы биологии

3. Основные концепции биологии

4. Уровни организации живого

5. Основные свойства живых систем

6. Современное определение живого организма и жизни

1. Биология как наука

Биология (греч.bios – жизнь,logos – слово, учение) – совокупность наук о жизни, о живой природе.Предмет биологии - строение живых организмов, их функции, происхождение, развитие, взаимоотношения со средой. Наряду с физикой, химией, астрономией, геологией и т.д. относится кестественным наукам .

Биология – одна из старейших наук, хотя термин этот появился лишь в 1797 году (его автор - немецкий профессор анатомии Т.Руз (1771-1803). "Отцом биологии" часто называют Аристотеля (384-322 до н.э.), которому принадлежит первая классификация животных.

Каковы особенности биологии как науки?

1.1 Биология тесно связана с философией . Это связано с тем, что из 3-х фундаментальных проблем естествознания 2 являются предметом биологических исследований.

1. Проблема происхождения Вселенной, космоса, природы вообще (ей занимается физика, астрономия).

2. Проблема происхождения жизни, т.е. живого из неживого.

3. Проблема происхождения Разума и человека как его носителя.

Решение этих вопросов тесно связано с решением основного вопроса философии : что первично – материя или сознание? Поэтому значительное место в биологии занимают философские аспекты.

1.2. Связь биологии с социальными и этическими проблемами.

Социал-дарвинизм, например, переносит на человеческое общество понятие "естественный отбор", различия между классами объясняются биологическими факторами.

Другие примеры: расизм, пересадка органов, проблема старения.

1.3. Глубокая специализация биологии.

В результате дифференциации биологии по объекту изучения возникли частные биологические науки: ботаника, зоология, микробиология (бактериология, вирусология, микология и др.).

Другое подразделение биологических наук - по уровням организации и свойствам живой материи : генетика (наследственность), цитология (клеточный уровень), анатомия и физиология (строение и функционирование организмов), экология (взаимоотношения организмов с окружающей средой) и т.д.

В результате интеграции с другими науками возникли: биохимия, биофизика, радиобиология, космическая биология и др.

Т.е. биология – комплекс наук, а общая биология занимается изучением наиболее общих закономерностей строения, жизнедеятельности, развития, происхождения живых организмов. Главный вопрос, на который пытается ответить общая биология, – что такое жизнь?

1.4. В настоящее время биология, оставаясь теоретической основой познания живого, становится непосредственно производительной силой , рождает новые технологии: биотехнологию, генную и клеточную инженерию и др.

Наука о закономерностях, единых для всего живого. Она изучает общие законы жизни и те особенности, которые характерны для всех видов живых существ независимо от их систематического положения. Чем отличается живое от неживого, каковы основные и общие для всех организмов закономерности жизненных явлений - ответ на эти вопросы составляет задачу общей биологии.

Обмен веществ и энергии между организмом и средой, способность к размножению, наследственность и изменчивость - неотъемлемые свойства всех организмов. Эти свойства - основа эволюции - необратимого исторического развития живой природы, которое сопровождается приспособлением организмов к условиям существования, образованием и вымиранием видов, преобразованием биогеоценозов и биосферы в целом. В результате эволюции возник многообразный мир живых существ.

Различают несколько структурно-функциональных уровней организации жизни (живой материи). Нижний, наиболее древний - суборганизменный. Это уровень молекулярных структур, где проходит граница между живым и неживым. Следующий уровень - клеточный. Клетка, ее структуры и основные биохимические процессы сходны у всех организмов. За ним следует уровень целостного организма. Неотъемлемые свойства всех организмов - способность к размножению, наследственность и изменчивость. Более сложный уровень организации жизни - популяционно-видовой. Высший уровень - экосистемный, биосферно-биогеоценотический, на котором сообщества популяций животных и растений вместе с их средой обитания образуют функционально-структурное единство. Целостность экосистем (биогеоценозов, биосферы) обусловлена обменом веществ и энергии между ее компонентами.

Общая биология изучает законы, характерные для всех уровней организации жизни. Значение этой дисциплины исключительно велико как в формировании материалистического мировоззрения, так и в ряде жизненно важных областей человеческой деятельности. Она приобретает все возрастающее практическое значение для сельского хозяйства, лесной и рыбной промышленности, биотехнологии, медицины, для рационального использования естественных ресурсов и охраны природы.

Биология служит теоретической базой сельскохозяйственного производства. Многие ее разделы непосредственно связаны с растениеводством и животноводством. Обеспечение все увеличивающегося населения земного шара продовольствием невозможно без создания новых высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур и продуктивных пород домашних животных. Достичь этого можно лишь зная законы наследственности и изменчивости. Благодаря открытиям в молекулярной биологии развивается биотехнология - производство ферментов, гормонов, кормовых белков, аминокислот с помощью микроорганизмов. Повышение плодородия земель, создание условий для получения устойчивых программированных урожаев - эти экологические задачи должны решать агрономы-биологи.

Биология изучает биологическую форму движения материи, т. е. совокупность организмов, живущих на , в том числе человека. Из-за огромного разнообразия представителей живого на Земле биология представляет собой комплекс различных биологических наук и включает ботанику, микологию (науку о грибах), зоологию, комплекс наук о человеке как биологическом объекте, общую биологию и другие науки. Ниже рассмотрены общие представления о биологии и ее составляющих.

Биология - комплекс наук, изучающих все живое вещество и организмы, им образуемые.

Какие науки включает в себя биология:

Ботаника - наука, изучающая биологические особенности растений. Совокупность всех растений на Земле называют флорой Земли. Традиционно вместе с растениями в курсе ботаники изучают грибы, вирусы, которые в строгом смысле не относятся к растениям, а принадлежат к другим царствам организмов. Так, грибы образуют особое царство Грибы, а наука о грибах называется микологией.

Зоология - наука, изучающая царство Животные.

Совокупность всех животных, населяющих Землю, называют фауной Земли. Принято говорить о фауне той или иной области, того или иного региона и т. д.

Биологические особенности человека изучает целый комплекс наук: анатомия, гигиена человека (несмотря на то что человек является структурной единицей царства Животные, он относится к , отряду приматов, семейству человекообразных обезьян, роду человек, виду человек разумный).

Общая биология - особый раздел биологии, изучающий наиболее общие закономерности биологической формы существования материи.

На современном этапе развития биологии общая биология представляет собой комплекс наук, состоящий из отдельных, достаточно самостоятельных, но тесно взаимосвязанных наук: молекулярной биологии, цитологии, теории развития и размножения, генетики, селекции, эволюционной теории, экологии. В предмете Общая биология эти науки представлены в виде разделов, которыми в курсе Общая биология с основами экологии и природоохранной деятельности являются следующие:

1. Цитология - раздел, изучающий клетку, ее химический состав, биохимические процессы, протекающие в клетке, строение и функции отдельных органоидов клетки.

2. Учение об индивидуальном развитии - онтогенезе - раздел, включающий учение о размножении и развитии организмов (тесно связан с цитологией).

3. Генетика с основами селекции - раздел, рассматривающий закономерности наследственности, изменчивости, их материальные носители (генетика), принципы и методы выведения новых пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов (селекция); теоретической основой селекции является генетика.

4. Эволюционное учение (теория) - раздел, изучающий филогенез (историческое развитие видов); составной частью этого учения является дарвинизм; основой данного учения (теории) - генетика, селекция и другие биологические науки.

5. Экология с основами природоохранной деятельности - раздел, рассматривающий вопросы взаимосвязи организмов друг с другом, средой обитания, а также воздействие человека на Природу и пути преодоления негативных последствий этого воздействия.

Общая биология тесно взаимосвязана с комплексом медицинских и сельскохозяйственных наук, являясь, с одной стороны, их базой, а с другой - эти науки дают богатый фактический материал для иллюстрации общебиологических закономерностей. Знание и понимание вопросов общей биологии невозможно без владения знаниями математики, химии, физики, геологии, астрономии, философии и других наук естественного и гуманитарного циклов. Так, без знания основ органической химии невозможно понять ни молекулярную биологию, ни проблемы обмена веществ, лежащих в основе экологии, ни вопросы цитологии. Все это делает необходимым глубокое усвоение знаний как общебиологического характера, так и знаний других и естественно-математических и гуманитарных наук.

Знания общебиологических понятий и закономерностей имеют огромное значение для каждого человека, поскольку они являются базой для понимания основных проблем экологии (как специальной отрасли знаний), без овладения которыми современный человек не сможет выжить в постоянно усложняющейся экологической обстановке на нашей планете.

Биология – наука о живой природе, изучающая жизнь, как особую форму материи, законы ее существования и развития. Биология, прежде всего, это комплекс знаний о жизни и совокупность научных дисциплин (более 300), которые изучают живое: химический состав, тонкую и грубую структуру, распространение, функционирование, его прошлое, настоящее и будущее, а также практическое значение и применение. Термин «биология» в современном понимании введен одновременно в 1802 г. Ж.-Б. Ламарком и немецким естествоиспытателем Г. Р. Тревиранусом.

Предмет исследования биологии – все проявления жизни:

Строение и функции, развитие и распространение живых организмов (прокариот, протист, растений, грибов, животных и человека);

Строение, функции и развитие природных сообществ, их связь друг с другом и окружающей средой;

Историческое развитие и эволюция живых организмов.

Задачи , которые решает биология:

Выявление и объяснение общих свойств и многообразия живых организмов;

Познание закономерностей в строении и функционировании живых систем разных рангов, их взаимосвязей, устойчивости и динамичности;

Изучение исторического развития органического мира;

Составление на основе полученных данных научной картины мира;

Обеспечение сохранности биосферы и способности природы к самовоспроизведению.

Методы , используемые для решения задач:

- наблюдение : дает возможность описать биологические явления;

- сравнение : позволяет найти закономерности, общие для различных явлений;

- экспериментальный (опыт) : исследователь искусственно создает ситуацию, которая помогает изучить свойства биологических объектов;

- моделирование : с помощью компьютерных технологий имитируются отдельные биологические процессы или явления (поведение биологической системы в заданных параметрах):

- исторический : позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом изучать процессы развития живой природы (впервые применил Ч. Дарвин).

Для описания и исследования биологических процессов биологи используют также методы: химические, физические, математические, технических наук, географии, геологии, геохимии и т. д. В результате возникают смежные (пограничные) дисциплины – биохимия, биофизика, почвоведение, радиобиология, радиоэкология и т. д.

Все науки можно классифицировать:

· по предмету изучения:

- зоология (изучает происхождение, строение и развитие животных, их образ жизни, распространение на земном шаре), включающая более узкие дисциплины – энтомологию (о насекомые), орнитологию (о птицах), ихтиологию (о рыбах), териологию (о млекопитающих);

- ботаника (изучает распространительные организмы, их происхождение, строение, развитие, жизнедеятельность, свойства, разнообразие, классификацию, а также структуру, развитие и расположение на земной поверхности растительных сообществ – фитоценозов ), в пределах которой выделяют бриологию (о мхах), дендрологию (о деревьях);

- микробиология (микроорганизмы);

- микология (грибы);

- лихенология (лишайники);

- альгология (водоросли);

- вирусология (вирусы);

- гидробиология (изучает организмы, обитающие в водной среде) и др.;

· по исследованию свойств организма:

- анатомия и морфология (предметом их изучения являются внешнее и внутреннее строение и форма организмов);

- физиология (изучает функции живых организмов, их взаимную связь, зависимость от внешних и внутренних условий); подразделяется на физиологию человека, физиологию животных, растений и т. д.;

- цитология (изучает клетку, как структурную и функциональную единицу организмов;

- гистология (изучает строение тканей организмов животных);

- эмбриология и биология индивидуального развития (изучает закономерности индивидуального развития);

- экологию (изучает образ жизни животных и растений в их взаимосвязи с условиями внешней среды) и т. д.

· по использованию определенных методов исследования:

- биохимия (изучает химический состав организмов, структуру и функции химических веществ химическими методами);

- биофизика (изучает физические и физико-химические явления в клетках и организмах с применением физических методов);

- биометрия (на основе обмера живых тел, их частей, процессов и реакций и последующего вычисления проводит математическую обработку данных с целью установления зависимостей, закономерностей, незаметных при описании отдельных явлений и процессов) и др.;

- генетика (изучает закономерности наследственности и изменчивости);

· по практическому применению биологических знаний:

- биотехнология (совокупность промышленных методов, позволяющих с высокой эффективностью использовать живые организмы для получения ценных продуктов – антибиотиков, аминокислот, белков, витаминов, гормонов и др., для защиты растений от вредителей и болезней, для юорьбы с загрязнением окружающей среды, в очистных сооружениях и т. д.);

- агробиология (комплекс знаний о возделывании сельскохозяйственных культур);

- селекция (наука о методах создания сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными для человека свойствами);

- животноводство , ветеринария, медицинская биология, фитопатология и др.;

· по изучению уровня организации живого:

- молекулярная биология (исследует жизненные явления на молекулярно-генетическом уровне и учитывает значение трехмерной структуры молекул);

- цитология и гистология (изучают клетки и ткани живых организмов);

- популяционно-видовая биология (изучает популяции);

- биоценология (изучает биогеоценозы);

- общая биология (изучает общие закономерности, раскрывающие суть жизни);

- биогеография (изучает общие закономерности географического распространения живых организмов на Земле;

- систематика (изучает многообразие организмов и распределение их по группам);

- палеонтология (изучает историю органического мира по останкам животных и растений);

- эволюционное учение (изучает историческое развитие живой природы и многообразие органического мира).

Практическое значение и применение достижений современной биологии:

1. Биология – теоретическая база многих наук.

2. Знания биологии необходимы для осмысления места человека в системе природы, понимания взаимосвязей организмов и окружающей их неживой природы.

3. Биология оказывает определяющее влияние на прогресс сельскохозяйственного производства и медицины:

Охрана окружающей среды;

Распознавание, профилактика и лечение заболеваний растений, животных и человека;

Расширение масштабов рыбоводства и звероводства;

Вовлечение в хозяйственный оборот новых территорий;

Развитие селекции микроорганизмов, растений и животных;

Прогнозирование экологических ситуаций в различных регионах и состояния биосферы в целом.

4. Биологическая подготовка занимает особое место в системе медицинского образования.

5. Многие биологические принципы и положения

Используются в технике:

Являются основой ряда производств пищевой, легкой, микробиологической и др. отраслей промышленности.

6. Широко внедряются современные биотехнологии, созданные на базе клеточной и генной инженерии (получение штаммов микроорганизмов, способных синтезировать человеческий инсулин, соматотропный гормон, интерфероны, иммуногенные препараты, вакцины и др.).

8. Генетические исследования позволили разработать методы ранней (пренатальной) диагностики, лечения и профилактики многих наследственных болезней человека.

Самообновление – способность организмов постоянно обновлять структурные элементы – молекулы, ферменты, органоиды, клетки – путем замены «износившихся», выполнивших свои функции (форменные элементы крови, клетки эпидермиса кожи и т. д.). При этом организмы используют вещества и энергию, которые поступают в клетки (поток вещества и энергии ). Самообновление обеспечивают обмен веществ и преобразование энергии , реакции матричного синтеза , дискретность .

Самовоспроизведение – способность живых организмов производить себе подобных с сохранением у потомков строения и функций родительских форм . При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей: кошки рожают котят, собаки - щенков. Из семян одуванчика опять вырастет одуванчик. Размножение и обеспечивает свойство самовоспроизведения. Процесс самовоспроизведения осуществляется практически на всех уровнях организации. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органоиды клеток (митохондрии, пластиды) после деления сходны со своими предшественниками. Из одной молекулы ДНК при ее удвоении образуются две дочерние молекулы, полностью повторяющие исходную. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза , т. е. образование новых молекул и структур на основе информации (поток информации ), заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. Следовательно, самовоспроизведение тесно связано с явлением наследственности .

Саморегуляция – способность организмов в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов (гомеостаз) на основе потока вещества, энергии и информации. При этом недостаток поступления питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Саморегуляция осуществляется разными путями благодаря деятельности регуляторных систем – нервной и эндокринной – и основана на принципе обратных связей : сигналом для включения той или иной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы. Так, повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы инсулина, уменьшающего содержание этого сахара в крови; снижение уровня глюкозы в крови замедляет выделение гормона в кровяное русло. Уменьшение числа клеток в ткани (при пилинге, дермабразии кожи, в результате травмы) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток; восстановление нормального количества клеток дает сигнал о прекращении интенсивного клеточного деления).

Из других свойства, характерных для живого, некоторые в той или иной мере похожи на процессы, протекающие в неживой природе.

Единство химического состава . Живые организмы достаточно четко отграничены от неживого своим химическим составом (нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и т. д.). Живые существа состоят из тех же элементов, что и объекты неживой природы. Но они образуют в организме сложные молекулы, в неживой природе не встречающиеся. Кроме того, различны и соотношения этих элементов в живом и неживом. Если элементарный состав неживой природы наряду с кислородом представлен кремнием , железом , магнием , алюминием и т. д., то в живых организмах 98% химического состава приходится только на четыре элемента – углерод , азот, водород и кислород. Кроме того, все живые организмы построены в основном из четырех групп сложных органических молекул: белков, углеводов, липидов и нуклеиновых кислот. Следует отметить и тот факт, что состав химических элементов в разных средах неживой природы, в отличие от живых организмов, разный. В гидросфере преобладает водород и кислород , в атмосфере – азот и кислород, в литосфере – кремний и кислород .

Обмен веществ и преобразование энергии . Это общее свойство всего живого представляет собой совокупность всех химических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих сохранение и воспроизведение жизни. Организм – открытая система, находящаяся в устойчивом стационарном состоянии: скорость непрерывного поступления веществ и энергии из среды уравновешивается скоростью непрерывного переноса веществ и энергии из системы.

Организм потребляет из окружающей среды вещества и энергию, использует их для обеспечения химических реакций, а затем возвращает в среду но уже в другой форме, эквивалентное количество энергии (в виде тепла) и вещества (в виде продуктов распада). Организмы потребляют вещества из окружающей среды в процессе питания . Автотрофы – растения, большинство протистов и некоторая часть прокариот, способные к фотосинтезу, сами создают органические вещества из неорганических с помощью энергии света. Гетеротрофы – животные, грибы, часть протистов и большинство прокариот используют органические вещества других организмов, расщепляют их ферментами и усваивают продукты расщепления.

Значительная часть органических веществ (углеводы, белки, липиды), поступающих в результате автотрофного или гетеротрофного питания, содержат в химических связях энергию. В процессе дыхания эта энергия высвобождается и аккумулируется в АТФ. Конечные продукты обмена, зачастую токсичные, в процессе выделения , или экскреции выводятся из организма.

Таким образом, для организмов характерны обмен веществ с окружающей средой и энергозависимость. Обмен веществ и преобразование энергии обеспечивают постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды. Другие признаки – рост, раздражимость, наследственность, изменчивость, размножение – все это результат обмена веществ и его проявление.

Размножение . При размножении организмы производят себе подобных и увеличивают тем самым количество особей. В процессе размножения из поколения в поколение передаются признаки, свойства и особенности развития организмов данного вида. Благодаря размножению численность вида поддерживается в течение длительного времени на определенном уровне. Смена поколений обеспечивается половым и бесполым размножением.

Наследственность. Заключается в способности организмов при воспроизведении передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение . В основе наследственности лежит стабильность носителей генетической информации, т. е. постоянство строения молекул ДНК. Генетическая информация, заключенная в ДНК, определяет возможные пределы развития организма, его структур, функций и реакций на окружающую среду. В то же время потомки обычно бывают похожи на своих родителей, но не идентичны им.

Изменчивость . Способность организмов приобретать в ходе онтогенеза новые свойства и признаки и утрачивать старые, называется изменчивостью. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней, так как при этом изменяются гены, определяющие развитие тех или иных признаков. Если бы репродукция матриц – молекул ДНК – всегда происходила с абсолютной точностью, то при размножении организмов осуществлялась бы преемственность только существовавших прежде признаков, и приспособление видов к меняющимся условиям среды оказалось бы невозможным. Следовательно, изменчивость – это способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которой лежат изменения молекул ДНК. Таким образом, самоудвоение молекул ДНК делает возможным не только сохранение у потомков наследственных особенностей родителей, но и отклонение от них, т. е. изменчивость, в результате которой организмы приобретают новые признаки и свойства. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора, т. е. отбора наиболее приспособленных особей к конкретным условиям существования в природных условиях, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

Рост и развитие. Независимо от способа размножения (бесполое или половое) все дочерние особи образующиеся из одной зиготы, споры, почки или клетки, получают по наследству только генетическую информацию, т. е. возможность проявлять те или иные признаки и свойства. Новый организм реализует полученную наследственную информацию в ходе роста и развития. Развитие – изменение внешнего или внутреннего строения организма. Развитие живых организмов представлено онтогенезом (индивидуальным развитием) и филогенезом (историческим развитием) . На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма (проявление цвета глаз, способность держать голову, сидеть, ходить, появление зубов и т. д. у детей). Развитие сопровождается ростом – постепенным увеличением размеров развивающегося организма, за счет процесса увеличения количества клеток и накоплением массы внеклеточных образований в результате обмена веществ.В процессе развития возникает специфическая структурная организация индивида, а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток. При смене многочисленных поколений происходит изменение видов, или филогенез (эволюция) – это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни.

Раздражимость. В процессе эволюции у организмов выработалось свойство избирательно реагировать на воздействия внешней или внутренней среды – раздражимость. Например, у млекопитающих при повышении температуры тела кровеносные сосуды кожи расширяются, рассеивая избыточное тепло и тем самым восстанавливая оптимальная температура тела.

Любое изменение условий среды, окружающих организм, является раздражителем , а реакция организма на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости. Наиболее яркой формой проявления раздражимости является движение . У растений – это тропизмы и настии , у протист – таксисы ; реакции многоклеточных организмов - рефлексы , осуществляющиеся посредством нервной системы. Сочетание «раздражитель – реакция» могут накапливаться в виде опыта и использоваться организмом в дальнейшем.

Адаптация к окружающей среде. Живые организмы не только хорошо приспособлены к среде обитания, но и прекрасно соответствуют своему образу жизни. Особенности строения, жизнедеятельности и поведения, обеспечивающие выживание и размножение в их среде обитания, называются адаптациями (приспособлениями).

Дискретность и целостность . Дискретность – это всеобщее свойство материи: каждый атом состоит из элементарных частиц, атомы образуют молекулу. Простые молекулы входят в состав сложных соединений или кристаллов и т. д.. Живые системы резко отличаются от неживых объектов своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. В то же время отдельный организм, или иная биологическая система (вид, биогеоценоз и др.), дискретен и целостен, т. е. состоит из отдельных изолированных (обособленных и отграниченных в пространстве), но в тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих функциональное единство. Любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи образует пространственно отграниченные органы, которые, в свою очередь, состоят из отдельных клеток. Энергетический аппарат клетки представлен митохондриями, аппарат синтеза белка – рибосомами и т. д. вплоть до макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты и т. д.), каждая из которых может выполнять свою функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности, она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида определяет возможность его эволюции путем гибели или устранения из размножения неприспособленных особей и сохранения индивидов с полезными для выживания признаками.

Клетка

В этом разделе необходимо дать определение понятию "клетка", от­метить, что она была открыта с помощью микроскопа, и совершенствова­ние микроскопической техники позволило выявить разнообразие их форм, сложность строения ядра, процесс деления клеток и др. Назвать другие ме­тоды исследования клетки: дифференцированное центрифугирование, элек­тронная микроскопия, авторадиография, фазово-контрастная микроско­пия, рентгеноструктурный анализ; показать, на чем были основаны эти ме­тоды, и что удалось выяснить с их помощью.

Основным структурным элементом всех живых организмов (растений и животных) является клетка. Отметить, кем впервые была сформулирована клеточная теория , знать ее положения. Основными компонентами клетки являются: наружная клеточная мембрана, цитоплазма и ядро.

В состав биологической мембраны входят липиды, составляющие основу мембраны и высокомолекулярные белки. Отметить полярность молекул липидов, и какое положение могут занимать белки по отношению к липидам. Совре­менная модель биологической мембраны подучила название "универсальная жидкостно-мозаичная модель". Раскрыть это понятие. Охарактеризовать части мембраны: надмембранный комплекс, собственно мембрану и подмембранный комплекс. Объяснить функции биологической мембраны.

Одной из важных функций мембраны является транспорт веществ из клетки в клетку. Охарактеризовать виды транспорта веществ через мем­брану: пассивный и активный. Указать, что к пассивному транспорту от­носятся: осмос, диффузия, фильтрация. Дать определение этим понятиям и привести примеры физиологических процессов в организме, осуществляе­мых пассивным транспортом. К активному транспорту относятся: перенос веществ с участием ферментов-переносчиков, ионные насосы. Раскрыть ме­ханизм на примере работы калиево-натриевого насоса. Различают также активный захват мембраной клетки веществ: фагоцитоз и пиноцитоз. Дать определение этим понятиям, привести примеры. Указать, чем принципиально отличается активный транспорт от пассивного.

В цитоплазме различают гиалоплазму или матрикс - это внутренняя среда клетки. Отметить, что наружный слой цитоплазмы, или эктоплазма, отличается более высокой плотностью и лишена гранул. Подчеркнуть, что эктоплазма ведет себя как коллоид, способный переходить из состояния ге­ля в золь и обратно. Объяснить эти термины. Привести примеры процес­сов, осуществляющихся в матриксе. В нем расположены органеллы и вклю­чения. Знать, что такое органеллы. Выделяют органеллы общего значения и специальные. К первым относятся: эндоплазматическая сеть; пластинча­тый комплекс, митохондрии, рибосомы, полисомы, лизосомы, клеточный центр, микротельца, микротрубочки, микрофиламенты. Охарактеризовать строение и функции этих органелл. Привести примеры органелл специаль­ного назначения, указать их функции. Дать определение понятию - включе­ния клетки, указать виды включений, привести примеры.

Ядро. Отметить основную функцию ядра - хранение наследственной информации. Компонентами ядра являются ядерная оболочка, нуклеоплазма (ядерный сок), ядрышко (одно или два), глыбки хроматина (хромосомы). Подчеркнуть значение ядерной оболочки эукариотической клетки - обособление наследственного материала (хромосом) от цитоплаз­мы, в которой осуществляются многообразные метаболические реакции. Указать, из скольких биологических мембран состоит ядерная оболочка и каковы ее функции. Отметить, что основу нуклеоплазмы составляют белки, в том числе и фибриллярные. Она содержит ферменты, необходимые для синтеза нуклеиновых кислот и рибосом. Ядрышки - непостоянные структу­ры ядра, они исчезают в начале деления клетки и вновь появляются к его концу. Указать, что входит в состав ядрышек и какова их функция.

Хромосомы. Указать, что хромосомы состоят из ДНК, которая окру­жена белками двух типов: гистоновыми (основными) и негистоновыми (кислыми). Отметить, что хромосомы могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях: спирализованном и деспирализованном. Знать, какое из этих двух состояний хромосомы является рабочим и что это означает. Указать, в какой период жизни клетки хромосомы спирализованы и хорошо видны под микроскопом. Знать строение хромосомы, виды хромосом, которые различаются по месту расположения первичной пере­тяжки.

Организмы большинства живых существ имеют клеточное строение. В процессе эволюции органического мира в качестве элементарной си­стемы, в которой возможно проявление всех закономерностей живого, бы­ла отобрана клетка. Организмы, имеющие клеточное строение, делятся на доядерные, не имеющие типичного ядра (или прокариоты), в обладающие типичным ядром (или эукариоты). Указать, какие организмы относятся к прокариотам, какие к эукариотам.

Для понимания организации биологической системы необходимо знать молекулярный состав клетки. По содержанию элементы, входящие в состав клетки, делятся на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Привести примеры элементов, входящих в состав каждой группы, охарактеризовать роль основных неорганических состав­ляющих в жизнедеятельности клетки. Химические компоненты живого делятся на неорганические (вода, минеральные соли) и органические (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты). За небольшим исключением (кость и эмаль зубов) вода является преобладающим компонентом клеток. Знать свойства воды, в каких формах вода находится в клетке, охарактери­зовать биологическое значение воды. По содержанию из органических веществ в клетке первое место занимают белки. Охарактеризовать состав белков, пространственную организацию белков (первичная, вторичная, третичная, четвертичная структуры), роль белков в организме. Углеводы делятся на 3 класса: моносахариды, дисахариды и полисахариды. Знать химический состав и критерии классификации углеводов. Привести примеры важнейших представителей класса и охарактеризовать их роль в жизнедеятельности клетки. Наибольшим химическим разнообразием характеризуются липиды. Термин "липиды" объединяет жиры и жироподобные вещества - липоиды. Жиры - это сложные эфиры жирных кислот и какого-либо спирта. Знать химический состав липидов и липоидов. Подчеркнуть основные функции: трофическую, энергетическую, а также другие функ­ции, которые необходимо охарактеризовать. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, используется для работы в клетках не сразу, а сначала запасается в форме высокоэнергетического промежуточного соединения - аденозинтрифосфата (АТФ). Знать химический состав АТФ. Раскрыть, что представляет собой соединения АМФ и АДФ. Раскрыть понятие "макроэргическая связь". Указать, при каких процессах образуется АДФ и АМФ, и каким образом происходит образование АТФ, какова энергетическая ценность этих процессов. Привести примеры физиологических процессов, требующих больших затрат энергии.

Как известно, хранителем генетической информации являются хромосомы. Они состоят из нуклеиновой кислоты - ДНК и двух видов белков. Рассказать о ДНК. Знать химический состав ДНК. Указать, что представляет собой ее мономер - нуклеотид , назвать виды нуклеотидов. Охаракте­ризовать пространственную модель ДНК, разъяснить понятия комплементарности и антипараллельности цепей молекулы ДНК. Охарактеризовать свойства и функции ДНК. Отметить, что к нуклеиновым кислотам относят­ся также три вида рибонуклеиновых кислот: и-РНК, р-РНК, т-РНК. Знать химический состав РНК. Указать, чем отличаются нуклеотиды РНК от нуклеотидов ДНК. Раскрыть функции всех трех видов рибонуклеиновых кислот.

К биологически активным веществам в клетке относятся ферменты . Они катализируют химические реакции. Необходимо остановиться на та­ких свойствах ферментов; как специфичность действия, активность только в определенной среде и при определенной температуре, большая эффектив­ность действия при малом их содержании. Раскрыть эти положения: и при­вести примеры. В настоящее время на основании их строения ферменты де­лят на две основные группы: полностью белковые ферменты и ферменты, состоящие из двух частей: апофермента и кофермента. Раскрыть эти поня­тия, привести примеры коферментов. Знать, что такое активный центр фермента. По типу катализируемых реакций ферменты делят на 6 основных групп: охсиредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы. Раскрыть механизм действия этих ферментов и привести примеры.

Все гетеротрофные организмы, в конечном счете, получают энергию в результате окислительно-восстановительных реакций, т.е. таких, в которых электроны переносятся от доноров электронов-восстановителей к акцепто­рам электронов - окислителям. По способу диссимиляции организмы делятся на анаэробные и аэробные. Энергетический обмен у аэробных организмов складывается из трех этапов: подготовительного, который проходит в желудочно-кишечном тракте или в клетке под действием ферментов лизосом; бескислородного (или анаэробного), который проходит в матриксе цитоплазмы, и кислородного, который проходит в митохондриях. Дать подроб­ную характеристику всех этапов, указать, какова энергетическая ценность этих этапов, каковы конечные продукты энергетического обмена у аэроб­ных организмов. При анаэробном способе диссимиляции отсутствует кис­лородный этап, и энергетический обмен у анаэробов получил название "брожение". Указать, в чем состоит прогрессивный характер дыхания по сравнению с брожением; каковы конечные продукты диссимиляции при брожении. Привести примеры аэробных и анаэробных (облигатных и факультативных) организмов.

Жизнь на Земле полностью зависит от фотосинтеза растений, постав­ляющих органическое вещество и О 2 всем организмам. При фотосинтезе происходит преобразование световой энергия в энергию химических свя­зей. Дать определение процесса фотосинтеза, отметить значение работ К.А.Тимирязева. Фотосинтез осуществляется только в растениях, имеющих пластиды - хлоропласты . Знать строение хлоропластов, их химический со­став, дать физико-химические характеристики хлорофилла и каротиноидов, необходимых для процесса фотосинтеза. Фотосинтез имеет две стадии: све­товую и темновую. Охарактеризовать световую стадию, отметить, какое значение имеет фотолиз воды, и указать результаты этой фазы фотосинтеза. Охарактеризовать темновую стадию, отметив, что в ней, при использова­нии энергии и СО2 в результате сложных реакций синтезируются углеводы, в частности крахмал. Раскрыть значение фотосинтеза для сельского хозяйства.

Примером пластического обмена у гетеротрофных организмов яв­ляется биосинтез белка . Все основные процессы в организме связаны с бел­ками, причем в каждой клетке постоянно происходит синтез белков, свой­ственных данной клетке и необходимых в данный период жизни клетки. Информация о молекуле белка зашифрована в молекуле ДНК с помощью триплетов или кодогенов. Дать определение понятиям триплет, генетический код. Раскрыть характеристики генетического кода - универсальность, триплетность, линейность, вырожденность или избыточность, неперекрываемость. В биосинтезе белка различают три этапа - транскрипцию, посттранскрипционные процессы и трансляцию. Отразить сущность, последовательность и место прохождения каждого этапа. Знать, почему, образовавшись из одной оплодотворенной яйцеклетки, клетки многоклеточного организма отличаются составом белков и выполняют разные функции. Раскрыть механизм регуляции генной активности при синтезе отдельных белков на примере бактерий (схема Ф. Жакоба и Ж. Моно). Дать определение понятию «оперон», указать его составные части и их функции.

Размножение клеток

Характеризуя воспроизведение на клеточном уровне биологической организации, необходимо отметить, что единственным способом образования клеток является деление предшествующих. Этот процесс очень важен для организма. Существование клетки с момента ее возникновения в результате деления материнской клетки до последующего деления или смерти называется жизненным (или клеточным) циклом. Его компонентом является митотический цикл. Он состоит из интерфазы и митоза. Объяснить, что интерфаза - это наиболее продолжительная часть митотического цикла, в которой осуществляется подготовка клетки к делению. Она состоит из трех периодов (предсинтетический, синтетический и постсинтетический). Дать характеристику периодам интерфазы, отметив, в каком из них синтезиру­ются РНК, белки, ДНК, АТФ и удваиваются органоиды.

Митоз - непрямое деление клетки. Состоит из 4 последовательных фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы. Митоз характеризуется появле­нием хромосом, веретена деления и образованием дочерних клеток, сходных с материнской. Охарактеризовать фазы митоза с последовательностью происходящих в них событий. Указать механизмы, обеспечивающие идентичность хромосом и постоянство их числа в дочерних клетках при митозе. Раскрыть биологическую сущность митоза.

Другой способ - амитоз , или прямое деление. Оно происходит без образования хромосом и веретена деления. Указать, какие клетки делятся амитозом, подчеркнув его отличие от митоза.

Размножение и индивидуальное развитие организмов

Дать определение процессу размножения как свойству организмов оставлять потомство. Различают две формы размножения организмов: бесполое и половое. Отметить, что в основе бесполого размножения лежит митоз, поэтому дочерние организмы являются точной копией материнско­го. Этот способ размножения возник первым в процессе эволюции. Охарак­теризовать способы бесполого размножения у одноклеточных (митотическое деление, шизогония, почкообразование, спорообразование) и многоклеточных (вегетативное размножение, т.е. частями тела или груп­пой соматических клеток). Привести примеры.

Половое размножение - размножение с помощью специальных клеток-гамет, имеющих гаплоидный набор хромосом и участвующих в оплодотворении. Процесс образования гамет называется гаметогенезом . Под­разделяется на сперматогенез и овогенез. Сперматогенез имеет 4 стадии: размножение, рост, созревание и формирование. В овогенезе 3 стадии (отсутствует стадия формирования). Дать характеристику каждой стадии гаметогенеза, указав, как изменяется набор хромосом и количество ДНК в каждой из них. Отметить отличие сперматогенеза от овогенеза.

Мейоз - это способ деления клеток, в результате которого вдвое уменьшается число хромосом. Он является центральным звеном гаметоге­неза, в результате которого из каждой клетки с диплоидным набором хро­мосом образуются 4 гаплоидные клетки. Мейоз состоит из двух быстро следующих друг за другом делений, называемых соответственно первым и вторым мейотическими делениями. Каждое из этих делений имеет фазы, аналогичные митозу, по их прохождение имеет свои особенности. Охарак­теризовать фазы первого и второго делений, отметив их отличия, и пока­зать, как изменяется набор хромосом и количество ДНК в каждой из фаз. Объяснить, почему между первым и вторым делением имеется короткая ин­терфаза. Раскрыть биологическое значение мейоза.

Гаметы в большинстве случаев разные: большая, неподвижная - яй­цеклетка и небольшая, подвижная - сперматозоид. Гаметы – высоко дифференцированные клетки, приспособленные для выполнения специфических функций. Охарактеризовать строение сперматозоидов и яйцеклеток, их ге­нетические особенности и функции.

Оплодотворение – это процесс слияния женской и мужской гамет, ведущий к образованию зиготы. Оплодотворение влечет за собой активацию яйцеклетки и образование гаплоидного ядра зиготы. Гаплоидные ядра не­сут генетическую информацию от двух родительских организмов (комбинативная форма изменчивости). У животных оплодотворение бы­вает наружное и внутреннее. Привести примеры и указать сущность разных видов оплодотворения. У ряда организмов встречается партеногенез - раз­новидность полового размножения, когда развитие особи проходит из нео­плодотворенной яйцеклетки. Отметить виды партеногенеза: естественный (факультативный и облигатный) и искусственный.

Онтогенез - индивидуальное развитие организма, состоит из 3 перио­дов:

1. Прогенез - созревание гамет и их слияние с образованием зиготы.
2. Эмбриональный период (или эмбриогенез ) - с момента образования зиготы до рождения или выхода организма из яйцевых оболочек. Этапы эмбриогенеза: дробление, в результате которого образуется бластула; гаструляция, в процессе которой возникают зародышевые листки (эктодерма, энтодерма и мезодерма); образование тканей и органов. Спо­соб дробления зиготы зависит от количества желтка и характера его рас­пределения в цитоплазме яйцеклетки. Различают полное и неполное дроб­ление. Полное дробление может быть равномерным и неравномерным, а неполное - дискоидальным и краевым. Показать, для каких типов яйцекле­ток характерен тот или иной тип дробления. Процесс гаструляции осуществляется разными способами и зависит от строения бластулы, т.е., в конечном счете, от количества желтка в яйцеклетке. Для гаструляции характерны перемещения и дифференцировка кле­ток, в результате чего образуется двух- или трехслойный зародыш. Отметить, у каких животных развитие заканчивается на стадии двух зародышевых листков: эктодермы и энтодермы, и у каких животных и ка­кими способами развивается третий (или средний) зародышевый листок - мезодерма. Указать, какие ткани и органы образуются из зародышевых листков. После завершения гаструляции происходит развитие осевого ком­плекса: хорды, нервной трубки, туловищной мезодермы; стадия нейрулы. Раскрыть последовательность их формирования. Процесс дифференцировки клеток определяется многими механизмами, среди которых важную роль играет эмбриональная индукция. Описать опыт, доказывающий влияние хорды на развитие других тканей
3. Постэмбриональный период начинается после рождения или вы­хода организма из яйцевых оболочек. В нем различают прямое развитие, которое проходит без личиночной стадии, и непрямое развитие, при кото­ром имеется личиночная стадия, заканчивающаяся превращением (метаморфозом) во взрослую особь. Привести примеры прямого и непрямого постэмбрионального развития у беспозвоночных и позвоночных жи­вотных. Указать биологическую роль непрямого развития.

Основы генетики

Дать определение генетике как науке о закономерностях наследственности и изменчивости. Она, как любая наука, имеет предмет изучения, методы изучения, задачи и цели. Предметом изучения генетики являются свойства живого: наследственность и изменчивость.

Наследственность - способность родителей передавать свои свойства и признаки потомству. Она обеспечивает материальную и функциональную преемственность между поколениями. Благодаря наследственности в поко­лениях сохраняются свойства отдельных организмов и вида в целом.

Различают два вида наследственности: ядерную (хромосомную) и внеядерную (нехромосомную, цитоплазматическую). Ядерная наследственность определяется генами хромосом и распро­страняется на большую часть признаков я свойств организма. Неядерная наследственность обусловлена генами митохондрий, хлоропластов, кинетосом, плазмид, эписом.

Изменчивость - способность организмов менять свои свойства я признаки. Формы изменчивости различны и зависят от многих причин. Наследственность закрепляет в потомстве формы изменчивости, свя­занные с наследственным материалом, т.е. является процессом, обеспечи­вающим сохранение не только сходств, но и различий организмов в ряду поколений.

Генетика раскрыла материальную основу и роль наследственности и изменчивости в эволюционном процессе.

Методы изучения

Указать, что закономерности наследственности и изменчивости изучают на различных, объектах: нуклеиновых кислотах, отдельных генах, хромосомах, органеллах, клетках, микроорганизмах, организмах растений, животных, человека и их популяций.

Генетический анализ проводятся с помощью следующих методов:

1. Гибридологический - подбор родительских пар и анализ проявле­ния в потомстве одного или нескольких признаков.
2. Генеалогический - составление и изучение родословных, прослежи­вание признака по ряду поколений.
3. Цитогенетический - изучение кариотипа при помощи микроскопирования.
4. Популяционный - определение частоты отдельных генов и геноти­пов в популяции, расшифровка генетической структуры.
5. Мутационный - выявление эффекта мутации, оценка мутагенной опасности отдельных факторов и окружающей среды.
6. Феногенетический - выяснение влияния внешних факторов на наследственно обусловленные признаки.

Перечислить основные задачи генетики:

1. решение актуальных проблем, стоящих перед человечеством в об­ластях обеспечения пищевыми, энергетическими и сырьевыми ресурсами;
2. сохранение здоровья человека;
3. охрана окружающей среды и сохранение целостности биосферы.

Наследственность. Современные представления о строении, свойствах и функциях гена.

Объяснить, что в настоящее время ген рассматривается как структур­ная и функциональная единица наследственности, контролирующая разви­тие определенного признака или свойства. Ген является главным звеном в совокупности структур и процессов, обеспечивающих появление в клетке определенного продукта (белка или РНК). Ген и цитоплазма находятся в непрерывном единстве, так как реализация информации, содержащейся в гене, возможна только в цитоплазме.

Перечислить свойства гена:

1. дискретность - раздельность действия генов, осуществление кон­троля различных признаков генами, локусы которых в хромосоме не сов­падают;
2. стабильность - сохранение в неизменном виде в ряду поколений;
3. специфичность - контроль определенного признака данным геном;
4. плейотропность - способность некоторых генов обусловливать раз­витие нескольких признаков (синдром Марфана);
5. аллельность - существование одного гена в нескольких вариантах;
6. градуальностъ - дозированность действия, способность обусловли­вать развитие признака определенной силы (количественного предела); с увеличением "доз" аллелей возрастает количество признака (окраска зерна у пшеницы, окраска глаз, кожи, волос у человека, величина початка, со­держания сахара в корнеплодах и т.д.).

Отметить, что по функционально- генетическим признакам различа­ют:

1. Структурные гены содержат информацию о структурных, фермен­тативных белках, т-РНК, и-РНК.
2. Гены-модуляторы подавляют, усиливают, уменьшают проявление данного признака.
3. Гены-регуляторы координируют активность структурных генов.

Рассказать, что функциональная активность генов заключается в их способности к транскрипции, репликации, рекомбинации и мутации.

Транскрипция - переписывание информации с ДНК с целью ее исполь­зования для синтеза белка. Единицей транскрипции является транскриптон , включающий струк­турные и функциональные гены.

Репликация - удвоение молекулы ДНК, предшествующее распределе­нию наследственного материала между дочерними клетками. Единицей репликация является репликон - фрагмент ДНК, состоящий из 100-200 нуклеотидов.

Рекомбинация - обмен участками между гомологичными хромосомами - одни из механизмов наследственной изменчивости. Единицей рекомбина­ции является рекон (2 нуклеотида).

Мутация - изменение структуры гена - другой механизм наследствен­ной изменчивости, создающий огромный материал для отбора. Единицей мутации является мутон (1-2 нуклеотида).

Основные понятия генетики

Дать определения следующим понятиям:

Кариотип - специфический набор хромосом, присущий организмам одного вида. Он характеризуется:

1. постоянством числа хромосом;
2. индивидуальностью хромосом;
3. парностью хромосом;
4. непрерывностью хромосом.

Аллельные гены (аллели) - разные варианты данного гена, несколько отличающиеся последовательностью нуклеотидов.

Множественный аллелизм - существование в популяции более двух аллелей данного гена. Примером являются три аллели I0, IА, IВ, ответственных за формирование в эритроцитах белков-антигенов, которые обуслов­ливают принадлежность человека к определенной группе крови (в системе АВО).

Альтернативные признаки - взаимоисключающие признаки, которые не могут быть в организме одновременно. Их развитие детерминируется аллельными генами.

Гомозиготный организм - организм, у которого аллельные гены одинаково влияют на развитие данного признака. Гетерозиготный организм - организм, у которого аллельные гены по-разному влияют на развитие данного признака.

Доминантный ген (аллель) контролирует развитие признака, который проявляется у гетерозиготного (гибридного) организма. Рецессивный ген контролирует признак, развитие которого подав­ляется доминантным аллелей. Такой признак может проявиться только у гомозиготного, по данному аллелю, организма.

Генотип - совокупность генов, наследственных задатков данного ор­ганизма. Под генотипом понимают совокупность аллелей в диплоидном наборе хромосом. Их совокупность в гаплоидном наборе хромосом назы­вается геномом .

Фенотип - совокупность внутренних и внешних признаков организма, проявление генотипа в конкретных условиях среды. Фенотипическими признаками являются любые проявления гена: биохимические, иммунологические, морфологические, физиологические, поведенческие и т.д.

Взаимодействие генов

Рассматривая генотип, указать, что эта совокупность представляет собой систему взаимодействующих генов.

Взаимодействие происходит между аллельными и неаллельными ге­нами, локализованными в одной и разных хромосомах.

Система генов образует сбалансированную генотипическую среду, которая влияет на функцию и проявление каждого гена. В результате фор­мируется определенный фенотип организма, все признаки которого строго координированы по времени, месту и сипе проявления.

Взаимодействие аллельных генов выражается:

1. полное доминирование, при котором проявление рецессивного аллеля полностью подавляется действием доминантного гена;
2. неполное доминирование, при котором оба аллеля находят проявле­ние в признаке, у гибридов возникает промежуточный признак;
3. кодоминирование - проявление обоих аллельных генов в фенотипе и развитие двух признаков;
4. сверхдоминирование - проявление более сильного (выраженного) признака у гибридов (гетерозигот) по сравнению с проявлением его у гомозигот по доминантным аллелям.

Взаимодействие неаллельных генов.

Большую группу взаимодействия неаллельных генов составляет мо­дулирование одними генами функции других неаллельных генов. К ней от­носят:

Эпистаз - подавление одного гена другим неаллельным. В случае до­минантного эпистаза подавляющее действие оказывает доминантный ген. Примером доминантного эпистаза является наследование окраски оперения у кур. Куры, имеющие гены окраски, но содержащие в генотипе доминант­ные гены - супрессоры, подавляющие действие генов окраски, оказываются неокрашенными.

Комплементарность - дополнение друг друга взаимодействующими генами. Взаимодействуя, неаллельные гены так дополняют друг друга, что их совместное действие приводит к появлению нового признака, который не появляется, если гены действуют отдельно друг от друга. Примером яв­ляется наследование форм гребней у кур. От скрещивания кур с розовидной формой гребня (генотипы А-вв) с курами, имеющими гороховидную форму гребня (генотипы ааВ-), все поколение оказывается с совершенно новой ореховидной формой гребня (генотипы А-В-).

Полимерия - контролирование одного признака несколькими доми­нантными аллелями. Каждый аллель "доза" гена вносит одинаковый вклад в развитие признака.

Контролируемые такими генами признаки всегда имеют количе­ственную характеристику и она зависит от "доз" доминантных аллелей, присутствующих в генотипе.

Полимерное наследование характерно для роста, телосложения, массы тела у человека, курчавости волос.

Гибридологический метод изучения наследственности

Отметить, что этот метод является центральным методом генетиче­ского анализа. Он разработан Г.Менделем и заключается в скрещивании организмов, отличающихся друг от друга одним или несколькими признаками.

Указать требования, предъявляемые Менделем к применению этого метода:

1. различие родительских форм по контрастным признакам;
2. четкость и стабильность анализируемых признаков;
3. нормальная жизнеспособность и плодовитость потомства;
4. многочисленность поколения и возможность количественного уче­та признака в опыте;
5. использование чистых (гомозиготных) форм, у которых стойко прослеживается в поколениях анализируемый признак.

Подчеркнуть, что применение гибридологического метода позволило Г.Менделю прийти к следующим выводам:

1. связь признака с наследственным фактором;
2. материальность, дискретность, стабильность наследственных, фак­торов;
3. специфичность наследственных факторов - контроль определенных признаков;
4. парность наследственных факторов;
5. о передаче их через гаметы и восстановлений парности при опло­дотворении;
6. о двух противоположных состояниях наследственных факторов: доминантном и рецессивном.

Отметить, что с помощью гибридологического метода Г. Мендель установил закономерности наследуемых признаков:

1. единообразие в первом поколении;
2. расщепление признаков на альтернативные варианты среди особей второго поколения;
3. независимое комбинирование признаков родителей у потомства.

Законы наследования, установленные Менделем. Моногибридное скрещивание. Закон единообразия первого поколения.

Объяснить, что Мендель проводил исследование на 22 сортах гороха, выбрав для анализа 7 пар контрастных признаков. Это растение соответствовало всем требованиям, необходимым для эксперимента:

1. наличие четко выраженных контрастных признаков, которые на­следовались и проявлялись в поколениях;
2. самоопыляемость, что позволило исследовать в опытах чистые (гомозиготные) растения;
3. получение многочисленного потомства (признака учитывались ко­личественно, результаты опытов подвергались математической обработке)
4. достаточные жизнеспособность и плодовитость.

Г.Мендель скрещивая два сорта гороха, отличающихся друг от друга одной парой контрастных признаков - цветом семян. Первый сорт имел желтую окраску семян, второй – зеленую. Оба сорта были чистыми, т.е. стойко сохраняли свой признак в поколениях при предшествующих скрещиваниях.

Все первое поколение оказалось с желтыми семенами. Мендель назвал желтый цвет доминирующим - преобладающим, а. зе­леный рецессивным - исчезающим. Он же ввел символическое обозначение признаков и записи результатов:

А - желтый цвет семени; а - зеленый;

Р - родительские организмы; Г - гаметы;

х - скрещивание родительских форм;

F 1.2.3... - поколения от скрещивания.

Из этой символической записи видно, что до цвету семян все растения оказались одинаковыми с доминантным признаком, по генотипу все гиб­риды были гетерозиготными.

Наблюдаемые результаты Мендель назвал правилом доминирования. Позже правило получало название 1-го закона Менделя - закона единооб­разия первого поколения:

При скрещивании организмов, различающихся, по одной паре контрастных признаков, первое поколение единообразно по фенотипу и гено­типу. По фенотипу все поколение характеризуется доминантным призна­ком, по генотипу все поколение гибридно (гетерозиготно).

Закон расщепления, признаков у гибридов второго поколения.

Рассказать, что из гибридных семян F 1 , Мендель вырастил горох. скрестил его путем самоопыления и получил в F 2 растения с желтыми и зе­леными семенами. Это явление Мендель назвал расщеплением признаков. Наблюдаемое явление выражалось соотношением 3:1 (75% растений имели доминантный признак, 25% - рецессивный).

На основании полученных результатов Мендель сформулировал 2-й закон расщепления: В потомстве, полуденном от скрещивания гибридов первого поколе­ния, наблюдается расщепление признаков в отношении 3:1. Четверть поко­ления имеет рецессивный признак, три четверти - доминантный.

Выясняя причину такого расщепления, Мендель обнаружил, что внешне сходные особи отличаются по наследственным свойствам (генотипу). 1/3 растений с доминантным признаком в дальнейших поколе­ниях не расщеплялась. Мендель назвал их гомозиготными – равно наследственными (АА). 2/3 растений с доминантными признаками давали такое же расщепление признаков, как родители, в отношении 3:1.. Мендель назвал их – разно наследственными гетерозиготными (Аа). Растения с рецессивными признаками (аа) также не давали расщепления признаков, т.е. были гомозиготными.

Эти опыты показали, что наблюдаемое расщепление по фенотипу сопровождается расщеплением по генотипу в соотношении 1:2:1

Р(F 1) Аа х Аа

Г       А; а       А; а

F 2       АА; Аа; Аа; аа,

где одна часть (25%) - поколения АА,

две части (50%) - поколения Аа,

одна часть (25%) - поколения аа.

Закон (гипотеза) "чистоты" гамет.

Характеризуя этот закон, надо, прежде всего, сказать, что анализ признаков растений первого и второго поколений позволил Менделю установить, что рецессивный наследственный фактор, не проявившийся в F 1 не исчезает и не смешивается с доминантным. В F 2 оба наследственных фактора проявляются в чистом виде. А это возможно лишь в том случае, если гибриды F 1 образуют не гибридные, а "чистые» гаметы, одни из которых несут доминантный наследственный фактор, а другие - рецессивный.

Такое несмешивание альтернативных наследственных факторов в гаметах гибридного поколения получило название гипотезы "чистоты" гамет.

Гипотеза "чистоты" гамет явилась цитологической основой 1-го и 2-го законов Менделя. Она объяснила наблюдаемое расщепление по фенотипу и по генотипу и показала, чего оно носит вероятно-статистический характер и объясняется одинаковой вероятностью образования разных классов гамет у гибридов F 1 и одинаковой вероятностью их встречи в F 2 .

В настоящее время эта гипотеза получила полное цитологическое подтверждение. В процессе созревания гаметы проходят мейоз, в результате которого каждая гамета получает гаплоидный набор хромосом, а следовательно, один набор аллельных генов.

Анализирующее скрещивание.

Показать, что оно было разработано Менделем, который установил, что внешне одинаковые организмы могут различаться наследственными факторами, Для выяснения фенотипически одинаковых форм их скрещи­вают с организмами, гомозиготными по рецессивным генам, т.е. имею­щими рецессивный признак.

Если в результате анализирующего скрещивания все поколение ока­зывается единообразным и похожим на организм, генотип которого анали­зируется, последний является гомозиготным.

Если в результате анализирующего скрещивания в поколении наблю­дается расщепление в отношении 1:1, то генотип наследуемого организма - ге­терозиготен.

F 1 Аа; аа 1:1

В данном случае поколение по генотипу и фенотипу как бы возвра­щается к родительским формам, поэтому такое анализирующее скрещива­ние Мендель назвал возвратным.

Анализирующее скрещивание широко используется в селекции жи­вотных, растений, в экспериментальной биологии для составления генети­ческих карт хромосом.

Дигибридное скрещивание. Закон независимого комбинирования признаков во втором поколении. Отметить, что скрещивание, в котором анализируется наследование двух пар признаков, называется дигибридным.

Для скрещивания Мендель выбрал два признака: цвет семян и их форму. Родительские формы отличались двумя парами контрастных приз­наков и были "чистыми" (гомозиготными).

Первый сорт имел желтые и гладкие семена, второй - зеленые и мор­щинистые. Все первое поколение оказалось с желтыми и гладкими семена­ми. Доминировали желтый цвет и гладкая форма, что видно из символи­ческой записи:

А - желтый цвет семян,

а - зеленый,

В - гладкая форма,

в - морщинистая.

Р     ААВВ     х     аавв

Г       АВ                ав

F 1         АаВв   100% (желтые гладкие по фенотипу, дигетерозиготные по генотипу).

Правило доминирования проявилось в наследовании двух признаков одновременно. Скрещивание гибридов первого поколения вызвало появление расте­ний с разными комбинациями признаков.

Признаки родителей наследовались независимо и по разному сочета­лись у потомства. Расщепление по фенотипу было 9:3:3:1. 9 частей имели оба доминантных признака, 3 части - первый доминантный, второй рецессивный, 3 части - первый рецессивный, второй доминантный, 1 часть - оба рецессивных признака.

Показать, что наблюдаемые во втором поколении комбинации приз­наков - результат случайной встречи гамет при оплодотворении. Для сим­волического изображения второго поколения применяется решетка Пеннета.

ж. - желтые; г. - гладкие; з. - зеленые; м. - морщинистые.

Отсюда видно, что генотипы 9 частей растений с желтыми и гладки­ми семенами могут быть: ААВВ, АаВВ, АаВв, ААВв (А-В-):

3 части растений с желтыми и морщинистыми семенами - ААвв, Аавв (А-вв);

3 части растения с зелеными и гладкими семенами - ааВВ, ааВв (ааВ-);

1 часть растений с зелеными и морщинистыми семенами - аавв.

На основании наблюдений был сформулирован закон независимого комбинирования - 3-й закон Менделя: При скрещивании гомозиготных организмов, отличающихся друг от друга двумя и более парами альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всевозможных сочетаниях.

Каждая пара признаков, рассматриваемая отдельно, расщеплялась в отношении 3:1, соотношение желтых и зеленых семян было равно 12:4 = 3:1. Соотношение гладких и морщинистых семян было таким же 12:4 = 3:1.

Законы Менделя служат для анализа более сложных признаков, когда, родители различаются по трем и более парам признаков. При этом гаметы будут образовывать классы, согласно формуле 2n, где n - степень гибридности организма, а в основе фенотипического расщепления - моногибридное расщепление (3:1)n, где n - число пар анализируемых генов. У гетерозигот каждый ген увеличивает число классов гамет вдвое, а число клас­сов генотипов втрое. Особи, гетерозиготная по n парам генов, производят 2n типов гамет и Зn различных генотипов.

Отметить, что закон независимого комбинирования признаков выполняется при следующих условиях:

1. локализация генов в разных парах гомологичных хромосом;
2. отсутствие всех видов взаимодействия аллельных к неаллельных генов, кроме полного доминирования;
3. одинаковая селективная ценность (выживание) всех генотипов;
4. отсутствие плейотропного действия генов.

Сцепление генов. Кроссинговер. Хромосомная теория Моргана.

Указать, что в 1906 г. У. Бэтсон и Р. Пеннет, изучая наследование двух пар аллельных генов у душистого горошка, обнаружили расщепление, отличающееся от соотношений, установленных Менделем.

При скрещивании гомозиготных растений, отличающихся двумя па­рами контрастных признаков ААВВ х аавв, они ожидали в F 2 образование 4 фенотипических классов в отношении 9:3:3:1. Вместо этого появилось фенотипическое расщепление на 2 класса в отношении, близком 3:1 (преобладали растения с сочетаниями признаков, которые были у роди­тельских форм).

При анализе этого явления оказалось, что гены А и В локализовались в одной хромосоме и наследовались вместе (как один ген). Гибриды перво­го поколения образовывали не 4, а 2 вида гамет. Это видно из символи­ческой записи:

P (F 1)     А В     х     А В

              а в            а в

Г         АВ, ав         АВ, ав

F 2     А В,     А В,     А В,     а в

        А В,     а в,      а в,     а в

                  3               1

Стало очевидным, что все гены, находящиеся в одной паре гомоло­гичных хромосом, будут наследоваться вместе и проявлять во втором по­колении картину моногенного наследования, т.е. будут наследоваться как одна пара аллельных генов, давая расщепление 3:1. Это явление получило название сцепленного наследования.

Явление сцепленного наследования получило разъяснение в работах американских генетиков во главе с Т.Морганом, создавших хромосомную теорию наследственности.

Удобным объектом для исследования сцепленного наследования ока­залась мушка (дрозофила), она легко размножалась в пробирках, с пита­тельной средой, давала многочисленное потомство, имела быструю смену поколений. большим преимуществом было наличие 4 пар гомологичных хромосом и большого количества мутантных вариантов (по форме крыльев и окраске глаз, числу, виду, размерам, распределению щетинок и т.д.). Признаки легко прослеживались в поколениях.

Школой Т.Моргана было установлено, что сцепление генов может нарушаться кроссинговером (процесс обмена фрагментами гомологичных хромосом). Это было продемонстрировано в опытах по скрещиванию серых длиннокрылых мух с серыми короткокрылыми. Все поколение от скрещи­вания оказалось с серой окраской тела и длинными крыльями.

Гены серой окраски и длинных крыльев были доминантными и рас­полагались в одной хромосоме.

А - серая окраска тела,

а – черная,

В - длинные крылья,

в - короткие.

(серые длиннокрылые)

Затем проводили анализирующее скрещивание гибридов F 1 . Предполагая полное сцепление между генами А и В, ожидали два вида гамет и два фенотипических класса в F 2: 50% - серых длиннокрылых мух и 50% черных короткокрылых, а получили их по 41,5%. В F 2 оказалось не 2, а 4 фенотипических класса. Кроме ожидаемых фенотипов, оказалось 8,5% - серых короткокрылых и 8.5% черных и длиннокрылых мух. В части гамет у самок прошел кроссинговер, что привело к появлению в потомстве особей с новыми сочетаниями признаков. Такие формы получили название кроссоверных .

Кроссоверные формы

Поскольку все гаметы самцов были полностью одинаковыми, то про­цент кроссоверных форм в F 2 зависел от процента кроссоверных гамет са­мок, общее число которых составило 17%, Т. Морган установил, что различие в проценте кроссоверных особей зависит от расстояния между генами. Вероятность того, что кроссинговер произойдет между далеко расположенными генами, выше, чем между близ­корасположенными генами.

Расстояние между генами в хромосомах принято обозначать в услов­ных единицах - морганидах .

Морганида соответствует такому расстоянию между генами, при котором в потомстве наблюдается 1% кроссоверных особей.

Процент кроссинговера для разных пар генов не превышает 50, при расстоянии в 50 морганид и более гены наследуются независимо, несмотря на локализацию их в одной хромосоме.

На основании данных по кроссинговеру (у дрозофил) Т.Морган сформулировал основные положения хромосомной теории:

1. Гены расположены в хромосомах линейно. Различные хромосомы содержат неодинаковое число генов: набор генов в каждой из негомологичных хромосом уникален.
2. Каждый ген занимает в хромосоме определенное место (локус).
3. Гены локализованные: в одной хромосоме представляют группу сцепления и наследуются совместно, число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом. Две гомологичные хромосомы следует рассматри­вать как одну групп сцепления.
4. Нарушение сцепления происходят в результате кроссинговера.
5. Частота кроссинговера между неаллельными генами, располо­женными в одной хромосоме, зависит от расстояния между ними, и прямо пропорциональна ему.
6. Расстояние между генами измеряется в морганидах. Одна морганида соответствует 1% кроссоверных фенотипов в потомстве.
7. Частота кроссинговера является средством точного установления локализации генов в хромосоме.

Генетика пола.

Указать, что многообразие путей определения пола у разных орга­низмов можно условно разделить на три группы:

1. пол определяется во время оплодотворения - симгамное определе­ние пола;
2. пол определен до оплодотворения - прогамное определение пола;
3. пол определяется механизмами, не связанными с оплодотворением - эпигамное определение пола.

Наиболее распространенным вариантом является определение пола у разных видов во время оплодотворения. Поскольку развитие пола зависит от получившегося в зиготе набора хромосом, оно получило название хро­мосомного определения пола.

Кариотипы (диплоидные наборы хромосом) их состоят из аутосом и половых хромосом. Кариотип женщин включает 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом XX. Женский пол называют гомогаметным, так как он образует один вид гамет X.

Кариотип мужчин включает 22 пары аутосом, аналогичных женским аутосомам, и одну пару половых хромосом ХУ, мужской пол называют гетерогаметным. так как он образует два вида гамет X и У.

Первичное - теоретически предполагаемое соотношение подов 1:1. Вероятность рождения мальчиков и девочек одинакова - 50%.

Р     XX      ХУ

Г      X      X, У

F 1   XX;     ХУ

50% девочек   50% мальчиков (1:1)

Вторичное соотношение полов - соотношение их при рождении отличается от первичного. Мальчиков рождается на 6-7% больше, чем девочек, и составляет 106-100. В силу биологических и социальных особенностей мальчики погибают чаще. Третичное соотношение полов - их соотношение при половом созре­вании. Оно приближается к первичному 1:1.

У некоторых птиц, рептилий, амфибий а бабочек (тутового шелко­пряда) гомогаметным полом являются самцы XX, а гетерогаметным полом ХУ самки. Практически пол этих животных определяется до оплодотворения га­метами самки.

У клопов рода протенор, кузнечиков, многоножек, нематод, жуков самки имеют две Х-хромосомы (XX), а самцы одну (ХО), Тип ХО получил название "протенор".

У перепончатокрылых (пчел, наездников, муравьев) пол зависит от плоидности яйцеклетки (у них нет половых хромосом). Из оплодотворен­ных яйцеклеток у пчел, имеющих 2n хромосом, развиваются самки - рабо­чие пчелы, из неоплодотворенных (n) - самцы (трутни).

Прогамное определение пола обусловлено различиями яйцеклеток из-за неодинакового количества цитоплазмы, питательных веществ. У коловраток, тлей, морских червей из крупных яйцеклеток разви­ваются самки, из мелких - самцы.

Сцепленное с полом наследование.

Рассказать, что признаки, гены которых расположены в подовых хромосомах, называются сцепленными с полом. Их наследование отличает­ся от наследования признаков, гены которых локализованы в аутосомах.

В настоящее время в Х-хромосоме человека обнаружено около 150 ге­нов, отвечающих за развитие самых разнообразных признаков, среди кото­рых есть гены, отвечающие за нормальную свертываемость крови, развитие мышечной системы, сумеречного зрения, цветового зрения, потовых желез, верхних резцов и т.д. Все эти признаки обусловлены доминантными аллелями. Рецессивные аллели этих генов обуславливают заболевания: гемофи­лию - плохую свертываемость крови, дальтонизм - нарушение цветового зрения, ночную слепоту, мышечную дистрофию, отсутствие потовых желез.

Женский (гомогаметный) пол может быть гомозиготным и гетерози­готным но отношению к этим генам:

Х н Х н; Х н X h ; Х h Х h

Гетерозиготные организмы являются скрытыми носителями патоло­гических генов.

Гетерогаметный мужской пол является гемизиготным но этим генам, так как У- хромосома не имеет аллелей этих генов Х н У; X h У

В У-хромосоме обнаружены гены дифференцировки семенников, тка­невой совместимости, гены, влияющие на размер зубов, а также гены пато­логических признаков: раннего облысения, повышенной волосатости (гипертрихоза) и ген ихтиоза (тяжелое поражение кожи).

Так как У-хромосома передается только по мужской линии, эти приз­наки проявляются только у мужчин. Такси тип наследования называется голандрическим.

Особенность наследования генов, расположенных в Х-хромосоме, за­ключается в том, что скрытыми носителями патологических генов являют­ся женщины, а фенотипическое проявление их наблюдается у мужчин:

Р               Х н X h       х       Х н У

Г             Х н,     X h           Х н,     У

F1   Х н X h             Х н Х н     Х н У;               X h У

    женщины-     женщина и мужчина     мужчина,

    носители               здоровые           больной гемофилией

Х h - гемофилия,

X н - нормальное свертывание крови.

От признаков, сцепленных с полом, следует отличать признаки, ограниченные полом . Признаки, проявляющиеся только у одного пола, относятся к призна­кам, ограниченным полом. Гены, определяющие их, могут находиться в аутосомах и половых хромосомах у самцов и самок, подчиняются закономер­ностям наследования обычных признаков. Это такие признаки, как яйце­носкость, молочность, многоплодие, комолостъ.

Селекция этих признаков осуществляется через самцов и самок.

Изменчивость.

Охарактеризовать изменчивость, как свойство живых организмов су­ществовать в различных формах. От нее зависит все разнообразие строения и функций на фоне их единого плана.

Различают два основных вида изменчивости:

1. Фенотипическая - ограниченная только фенотипом, не затраги­вающая наследственного материала, поэтому не передающаяся потомкам.
2. Генотипическая - связанная с различными изменениями генотипа.

Фенотипическая изменчивость выражается в изменении фенотипических признаков, возникающих под влиянием факторов внешней среды. Они не затрагивают генотип, как правило, меняют активность фермента. При­мером является изменение окраски шерсти гималайского кролика под влиянием температуры окружающей среды. Эмбрион развивается в услови­ях повышенной температуры, разрушающей фермент, необходимый для окраски шерсти, поэтому кролики рождаются совершенно белыми.

Вскоре после рождения темнеют отдельные части тела (конники уш­ных раковин, хвоста, носа), где температура ниже, чем в других местах, и фермент не разрушается. Если сбрить участок белой шерсти и охладить его до температуры +2°С, на этом месте вырастает черная шерсть. Фенотипическая изменчивость делится на случайную и модификационную.

Случайная возникает в результате совместного действия на орга­низм многих факторов внешней среды. Она затрагивает разные признаки и не носит приспособительного характера. Она может возникать на любом этапе онтогенеза.

Модификационная возникает у генетически идентичных особей под влиянием внешних факторов. В сходных условиях среды она носит групповой и обратимый характер.

Например, картофель, выращенный из одного клубня, отличается кус­тистостью, величиной и формой клубней в зависимости от плодородия почвы и ухода. В коже всех людей под влиянием УФ-лучей откладывается защитный пигмент - меланин.

Проявление модификационной изменчивости ограничено нормой реакции. Под нормой реакции понимают пределы, в которых возможно из­менение признака у данного генотипа. Это свойство генотипа обеспечивает развитие признака в зависимости от меняющихся условий среды. Классиче­ским примером является смена шерстяного покрова у многих животных на зимний (более густой и светлый).

Норма реакции наследуется в отличие от самой модификационной изменчивости. Ее границы различны у разных признаков и у разных инди­видуумов. Например, количество молока (удой) имеют широкую норму реакции, а жирность значительно уже. Еще более ограниченную норму реак­ции имеют такие признаки, как белки-антигены эритроцитов, определяю­щие группу крови, изменения которых под действием внешних факторов практически невозможно.

Модификации носят направленный характер, в отличие от мутаций, направления которых разнообразны. Интенсивность модификационных изменений пропорционально силе и продолжительности действующего фактора.

Генотипическая изменчивость связана с изменением генотипа, пере­дается поколениям. Различают две формы генотипической изменчивости: комбинативную и мутационную, Комбинативная форма изменчивости связана с процессом полового размножения и новыми комбинациями генов родителей в генотипах детей.

Два механизма комбинативной изменчивости связанны с процессом созревания половых клеток - мейозом. Главный из них - независимое сочетание негомологичных хромосом, проходящее в анафазе первого мейотического деления. Вероятность таких сочетаний для человека составляет 2 23 . Вторым механизмом является обмен участков хромосом между гомо­логичными хромосомами (кроссинговер). Комбинации генов усиливаются случайным подбором родительских пар и случайной встречей гамет у одной и той же родительской пары при оплодотворении. В результате этого в зиготах возникают разнообразные комбинации генов, что создает многочисленные варианты.

Мутационная изменчивость.

Термин "мутация" был введен в 1901 г., Г. де Фризом. Мутацией он назвал внезапное появление нового наслед­ственного признака. Причины и механизмы образования мутаций разнооб­разны. Классификация мутаций разнонаправлена.

1. По месту возникновения различают соматические и генеративные мутации. Соматические мутации - мутации в соматических клетках. Пере­даются поколениям при вегетативном способе размножения, могут исполь­зоваться в селекции растений для получения новых сортов. Известными проявлениями соматических мутаций являются: пятна иной окраски на шкуре овец, пигментные пятна кожи, радужной оболочки глаз у человека, бородавки (папилломы) кожи, Генераптивные мутации - мутации в гаметах, передаются по на­следству.
2. По масштабу вовлечения в мутационный процесс различают ген­ные, хромосомные и геномные мутации.
   Генные (точковые) мутации - изменение нуклеотидной последова­тельности внутри гена, они выражаются в следующем:
   1. выпадении нуклеотида;
   2. вставка нуклеотида;
   3. дупликация нуклеотида - удвоение одной или нескольких пар нуклеотидов;
   4. перестановка нуклеотидов.
   При этом происходит искажение считывания информации ("сдвиг рамки"), изменяется смысл кодогенов, а, следовательно, и синтез нормального полипептида.
   Хромосомные мутации (аберрации) возникают в результате перестройки хромосом:
   1. делеции - утрата хромосомой крупного участка;
   2. дупликации - удвоение участка хромосомы;
   3. транслокации - перенос участка одной хромосомы на другую неге мо логичную;
   4. инсерции - перенесение участка одной хромосомы или отдельны генов в другое место данной хромосомы; это так называемые мобильные гены, положения которых в хромосоме по-разному влияют на признак;
   5. инверсии - перестройка участка хромосомы с обращение его т 180°.
   Геномные мутации - изменение числа хромосом:
   1. полиплоидия - увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов. У полиплоидных форм отмечается увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору (Зn - триплоид; 4n - тетраплоид, 5n - пентаплоид, 6n - гексаплоид). У животных и человека в некоторых внутренних органов (печень, почки) встречаются полиплоидные клетки, число которых увеличивается с возрастом - избирательная со­матическая полиплоидия. Такие клетки обладают большими функциональ­ными возможностями, чем диплоидные;
   2. анеуплоидия - изменение числа хромосом, при котором в диплоидном наборе может быть на одну хромосому больше или меньше нормы: 2n ± 1 хромосом;
   3. гаплоидия - уменьшение числа хромосом в соматических клетках до гаплоидного набора. Гаплоиды обнаруживаются в основном среди расте­ний (дурман, кукуруза, пшеница). Их отличают меньшие размеры, снижен­ная жизнеспособность, бесплодие.
3. Различают спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанные мутации возникают под действием случайных мутагенных факторов, дозы и время которых строго не определены. Частота спонтанных мутаций одинакова для всех организмов и равна для одного гена 10 -7 - 10 -5 . Индуцированные мутации - мутации, вызванные мутагенными фак­торами, увеличивающие частоту спонтанных мутаций.
4. По характеру проявления различают доминантные, полудоминантные и рецессивные мутации.
   Доминантные сразу проявляются в фенотипе (например, полидакти­лия - многопалость).
   Полудоминантные частично подавляют рецессивный ген, проявляют­ся одновременно с ним, вызывая промежуточный признак.
   Рецессивные передаются из поколения в поколение в составе гетерозигот, проявляются лишь в паре с такой же мутацией у гомозиготных по данным аллелям организмов.
5. По селективной ценности (значению для отбора) мутации делятся полезные и вредные.
   Полезные способствуют развитию признаков, обеспечивающих организму преимущества в выживании и размножении. Затем они закрепляются отбором.
   Вредные:
   1. летальные - вызывают гибель организмов;
   2. полулетальные - резко снижают его репродукцию.
   Но они могут длительно не проявляться и накапливаться в генофонде популяции в составе гетерозигот. Следует помнить, что эффект проявления мутаций зависит от факторов внешней среды. Например, у дрозофил есть легальный ген, пенетрантность которого при температуре +30°С составляет 100%, т.е. все мухи погибают, при 0°С - 0%, т.е. все мухи выживают.

Мутагенные факторы можно разделить на 3 группы:

Генетика человека.

Отметить, что основные генетические закономерности имеют универсальное значение. Однако человек как объект генетических исследований имеет большую специфику, которая создает известные трудности в изучении его наследственности и изменчивости: невозможность применить гибридологический метод,

План лекции:

1. Актуальность биологических знаний в современном мире. Место общей биологии в системе биологических наук.

2. Методы изучения.

3. Понятие «жизнь» и свойства живого.

4. Уровни организации живого.

5. Практическое значение биологии.

1. Актуальность биологически знаний в современном мире.

БИОЛОГИЯ – наука о жизни во всех её проявлениях и закономерностях, управляющих живой природой. Название ее возникло из сочетания двух греческих слов: БИОС – жизнь, ЛОГОС – учение. Эта наука изучает все живые организмы.

Термин «биология» ввёл в научный оборот французский учёный Ж. Б. Ламарк в 1802 году. Предмет изучения биологии – живые организмы (растения, животные, грибы, бактерии), их строение, функции, развитие, происхождение, взаимоотношения со средой.

В органическим мире выделяют 5 царств: бактерии (дробянки), растения, животные, грибы, вирусы. Эти живые организмы изучаются соответственно науками: бактериология и микробиология, ботаника, зоология, микология, вирусология. Каждая из этих наук делится на разделы. Например, зоология включает энтомологию, териологию, орнитологию, ихтиологию и др. каждая группа животных изучается по плану: анатомия, морфология, гистология, зоогеография, этология и т.д. Кроме этих разделов можно назвать ещё: биофизика, биохимия, биометрия, цитология, гистология, генетика, экологи, селекция, космическая биология, генная инженерия и много других.

Таким образом, современная биология – комплекс наук, изучающих живое.

Но эта дифференцировка привела бы науку к тупику, если бы не было интегрирующей науки – общей биологии. Она объединяет все биологические науки на теоретическом и практическом уровнях.

· Что же изучает общая биология?

Общая биология изучает закономерности жизни на всех уровнях ее организации, механизмы биологических процессов и явлений, пути развития органического мира и его рациональное использование.

· Что может объединять все биологические науки?

Общая биология играет объединяющую роль в системе знаний о живой природе, поскольку в ней систематизируются ранее изученные факты, совокупность которых позволяет выявить основные закономерности органического мира.

· Какова цель общей биологии?

Осуществление разумного использования, охрана и воспроизведение природы.

2. Методы изучения биологии.

Основными методами биологии являются:

наблюдение (позволяет описать биологические явления),

сравнение (дает возможность найти общие закономерности в строении, жизнедеятельности различных организмов),

эксперимент или опыт (помогает исследователю изучить свойства биологических объектов),

моделирование (имитируются многие процессы, недоступные для непосредственного наблюдения или экспериментального воспроизведения),

исторический метод (позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом познать процессы развития живой природы).

Общая биология пользуется методами других наук и комплексными методами, которые позволяют изучать и решать поставленные задачи.

1. ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ метод, или морфологический метод изучения. Глубокое внутренне сходство организмов может показать родство сравниваемых форм (гомология, аналогия органов, рудиментарные органы и атавизмы).

2. СРАВНИТЕЛЬНО – ЭИБРИОЛОГИЧЕСКИЙ - выявление зародышевого сходства, работы К. Бэра, принцип рекапитуляции.

3. КОМПЛЕКСНЫЙ – метод тройного параллелизма.

4. БИОГЕОГРАФИЧЕКИЙ – позволяет проанализировать общий ход эволюционного процесса в самых разных масштабах (сравнивание флор и фаун, особенности распространения близких форм, изучение реликтовых форм).

5. ПОПУЛЯЦИОННЫЙ – позволяет улавливать направления естественного отбора по изменению распределения значений признака в популяциях на разных стадиях ее существования или при сравнении разных популяций.

6. ИММУНОЛОГИЧЕКИЙ – позволяет с большой степенью точности выявить «кровное родство» разных групп.

7. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ – позволяет определить генетическую совместимость сравниваемых форм, а значит, определить степень родства.

Нет ни одного «абсолютного» или совершенного метода. Целесообразно использовать их в комплексе, поскольку они взаимодополняемы.

3. Понятие «жизни» и свойства живого.

Что такое жизнь?
Одно из определений более 100 лет назад дал Ф. Энгельс: "Жизнь есть способ существования белковых тел, непременное условие жизни - постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается и жизнь.»

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.

Живые системы обладают рядом общих свойств и признаками, которые отличают их от неживой природы.

1. Все биосистемы характеризуются высокой упорядоченностью , которая может поддерживаться только благодаря протекающим в них процессам. В состав всех биосистем, лежащих выше молекулярного уровня, входят определенные элементы (98% химического состава приходится на 4 элемента: углерод, кислород, водород, азот, а в общей массе веществ основную долю составляет вода - не мене 70 – 85%). Упорядоченность клетки проявляется в том, что для нее характерен определенный набор клеточных компонентов, а упорядоченность биогеоценоза - в том, что в его состав входят определенные функциональные группы организмов и связанная с ними неживая среда.
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. Смысл биотических круговоротов заключается в преобразовании молекул, обеспечивающих постоянство внутренней среды организма и, таким образом, непрерывность его функционирования в постоянно меняющихся условиях внешней среды (поддержание гомеостаза) .
4. Репродукция, или самовоспроизведение , - способность живых систем воспроизводить себе подобных. Этот процесс осуществляется на всех уровнях организации живого;
а) редупликация ДНК - на молекулярном уровне;
б) удвоение пластид, центриолей, митохондрий в клетке - на субклеточном уровне;
в) деление клетки путем митоза - на клеточном уровне;
г) поддержание постоянства клеточного состава за счет размножения отдельных клеток - на тканевом уровне;
д) на организменном уровне репродукция проявляется в виде бесполого размножения особей (увеличение численности потомства и преемственность поколений осуществляется за счет митотического деления соматических клеток) или полового (увеличение численности потомства и преемственность поколений обеспечиваются половыми клетками - гаметами).
5. Наследственность 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; в ее основе лежат 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 качественно изменение организма. Под развитием живой природы - эволюции понимают необратимое, направленное, закономерное изменение объектов живой природы, которое сопровождается приобретением адаптации (приспособлений), возникновением новых видов и вымиранием прежде существовавших форм. Развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием, или онтогенезом, и историческим развитием, или филогенезом.
8. Приспособленность . Это соответствие между особенностями биосистем и свойствами среды, с которой они взаимодействуют. Приспособленность не может быть достигнута раз и навсегда, так как среда непрерывно меняется (в том числе благодаря воздействию биосистем и их эволюции). Поэтому все живые системы способны отвечать на изменения среды и вырабатывать приспособления ко многим из них. Долгосрочные приспособления биосистем осуществляются благодаря их эволюции. Краткосрочные приспособления клеток и организмов обеспечиваются благодаря их раздражимости.
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. Организмы, которые не имеют нервной системы, лишены и рефлексов. У таких организмов реакция на раздражение осуществляется в разных формах:
а) таксисы - это направленные движения организма в сторону раздражителя (положительный таксис) или от него (отрицательный). Например, фототаксис - это движение в направлении к свету. Различают также хемотаксис, термотаксис и др.;
б) тропизмы - направленный рост частей растительного организма по отношению к раздражителю (геотропизм - рост корневой системы растения по направлению к центру планеты; гелиотропизм - рост побеговой системы по направлению к Солнцу, против силы тяжести);
в) настии - движения частей растение по отношению к раздражителю (движение листьев в течение светового дня в зависимости от положения Солнца на небосводе или, например, раскрытие и закрытие венчика цветка).
10 . Дискретность (деление на части) . 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. Клетки состоят из отдельных органоидов, ткани - из клеток, органы - из тканей и т. п. Это свойство позволяет осуществить замену части без остановки функционирования целостной системы и возможность специализации различных частей на неодинаковых функциях.
11. Авторегуляция - способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов - гомеостаз. Саморегуляция обеспечивается деятельностью регуляторных систем - нервной, эндокринной, иммунной и др. В биологических системах надорганизменного уровня саморегуляция осуществляется на основе межорганизменных и межпопуляционных отношений.
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).
Ритмичность направлена на согласование функций организма с окружающей средой, т. е. на приспособление к периодически меняющимся условиям существования.
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. Таким образом, живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают энергия в виде пищи из окружающей среды.

14. Целостность - живая материя определенным образом организована, подчинена ряду специфических законов, характерных для неё.

4. Уровни организации живой материи.

Во всём многообразии живой природы можно выделить несколько уровней организации живого. Просмотр учебного фильма «Уровни организации живого» и на его основе составление краткого опорного конспекта.

1. Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.

2. Клеточный. 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.

5. Биогеоценотический. Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и различной сложности организации с факторами среды их обитания. В процессе совместного исторического развития организмов разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые сообщества.

6. Биосферный. Биосфера - совокупность всех биогеоценозов, система, охватывающая все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов.

5. Практическое значение общей биологии.

o В БИОТЕХНОЛОГИИ – биосинтез белков, синтез антибиотиков, витаминов, гормонов.

o В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ – селекция высокопродуктивных пород животных и сортов растений.

o В СЕЛЕКЦИИ МИКРОООРГАНИЗМОВ.

o В ОХРАНЕ ПРИРОДЫ – разработка и внедрение методов рационального и рачительного природоиспользования.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение «биологии». Кто предложил данный термин?

2. Почему современную биологию считают комплексной наукой? Из каких подразделов состоит современная биология?

3. Какие специальные науки можно выделить в биологии? Дайте их краткую характеристику.

4. Какие методы исследования используют в биологии?

5. Приведите определение понятия «жизнь».

6. Почему живые организмы называют открытыми системами?

7. Перечислите основные свойства живого.

8. Чем отличаются живые организмы от неживых тел?

9. Какие уровни организации характерны для живой материи?