Определениенаукибиология.Еепредмет,методыизучения.Определениесущностижизни.Основныесвойстваживыхорганизмов.Уровниорганизацииживого.

Определениенаукибиология.Еепредмет,методыизучения.Определениесущностижизни.Основныесвойстваживыхорганизмов.Уровниорганизацииживого.

Предметбиологии.Классификациябиологическихнаук

Термин«биология»образуетсяиздвухгреческихслов(bios–жизньиlogos–учение).

Терминбылвведенв1802годудвумяестествоиспытателями–Ж.Б.ЛамаркомиГ.Р.Тревиранусом,независимодруготдруга.

Биологияизучаетобщиезакономерности,характерныедлявсегоживогоираскрывающиесущностьжизни,ееформыиразвитие.

Биология–комплекснаянаука.Разделынаукибиологииклассифицируютсяпоследующимнаправлениям:

1)изучениюсистематическихгрупп(пообъектамисследования).Например,зоология,ботаника,вирусология.

Впределахэтихнаукимеютсяузкиенаправления(илидисциплины).Например,взоологиивыделяютпротозоологию,гельминтологию,энтомологиюидр.

2)изучениюразныхуровнейорганизацииживого:молекулярнаябиология,гистологияидр.

3)свойствамипроявлениямжизниотдельныхорганизмов.Например,физиология,генетика,экология.

4)связямсдругиминауками(врезультатеинтеграциинаук).Этобиохимия,биофизика,биотехнология,радиобиологияидр.

Методыизучениябиологии

Основнымиметодами,которыеиспользуютсявбиологическихнауках,являются:

1)наблюдениеиописание–самыйстарый(традиционный)методбиологии.Этотметодширокоиспользуетсяивнашевремя(взоологии,ботанике,цитологии,экологииидр.)

2)сравнение,т.е.сравнительныйметоддаетвозможностьнайтисходстваиразличия,общиезакономерностивстроенииорганизмов.

3)опытилиэксперимент.Например,опытыГ.МенделяилиработыИ.П.Павловавфизиологии.

4)моделирование–созданиеопределенноймоделиилипроцессовиихизучения.Например,моделированиеусловийипроцессов(недоступныхнаблюдению)происхожденияжизни.

5)историческийметод–изучениезакономерностипоявленияиразвитияорганизмов

Основныесвойстваживого

Клеточнаятеория,этапыразвития,современноеположениеклеточнойтеории.

Клеточнаятеория.

В1665г.Р.Гуквпервыеобнаружилрастительныеклетки.В1674г.А.Левенгукоткрылживотнуюклетку.В1839г.Т.ШванниМ.Шлейденсформулироваликлеточнуютеорию.Основнымположениемклеточнойтеориибылото,чтоклеткаявляетсяструктурнойифункциональнойосновойживыхсистем.Ноониошибочносчитали,чтоклеткиобразуютсяизбесструктурноговещества.В1859г.Р.Вирховдоказал,чтоновыеклеткиобразуютсялишьпутемделенияпредшествующих.1874г.ЧистяковдоказалидополнилпредположенияВирхова

Основныеположенияклеточнойтеории:

1)Клеткаявляетсяструктурнойифункциональнойединицейвсегоживого.Способнаксамообновлению,саморегуляции,самовоспроизведению.Всеживыеорганизмысостоятизклеток.

2)Всеклеткиживыхорганизмовимеютодинаковыйхимическийсостависходныепроцессыжизнедеятельности.

3)Всеклеткиобразуютсятолькопутемделенияматеринской.

4)Всеклеткиодинаковымобразомхранятиреализуютнаследственнуюинформацию.

5)Жизнедеятельностьмногоклеточногоорганизмавцеломобусловленавзаимодействиемсоставляющихегоклеток.Патологияорганизманачинаетсяспатологииклетки.

Этапыэволюцииклетки.Гипотезыпроисхожденияэукариотическихклеток.

Эволюцияклетки

Существуютдваэтапавэволюцииклетки:

1.Химический.

2.Биологический.

Химическийэтапначалсяоколо4,5млрдлетназад.Поддействиемультрафиолетовогоизлучения,радиации,грозовыхразрядов(источникиэнергии)происходилообразованиесначалапростыххимическихсоединений–мономеров,азатемболеесложных–полимеровиихкомплексов(углеводов,липидов,белков,нуклеиновыхкислот).

Биологическийэтапобразованияклетокначинаетсяспоявленияпробионтов–обособленныхсложныхсистем,способныхксамовоспроизведению,саморегуляциииестественномуотбору.Пробионтыпоявились3-3,8млрд.летназад.Отпробионтовпроизошлипервыепрокариотическиеклетки–бактерии.Эукариотическиеклеткипроизошлиотпрокариот(1-1,4млрд.летназад)двумяпутями:

1)Путемсимбиозанесколькихпрокариотическихклеток–этосимбиотическаягипотеза;

2)Путеминвагинацииклеточноймембраны.Сутьинвагинационнойгипотезызаключаетсявтом,чтопрокариотическаяклеткасодержаланесколькогеномов,прикрепленныхкклеточнойоболочке.Затемпроисходилаинвагинация–впячивание,отшнуровкаклеточноймембраны,иэтигеномыпревращалисьвмитохондрии,хлоропласты,ядро.

Происхождениеэукариот

РасцветэукариотнаЗемленачалсяоколо1млрдлетназад,хотяпервыеизнихпоявилисьнамногораньше(возможно2,5млрдлетназад).Происхождениеэукариотмоглобытьсвязаносвынужденнойэволюциейпрокариотическихорганизмовватмосфере,котораясталасодержатькислород.

Структураифункциябелков.

Строениебелков

Белки(протеины)составляют50%отсухоймассыживыхорганизмов.Белкисостоятизаминокислот.Укаждойаминокислотыестьрадикал(понимаминокислотыотличаютсядруготдруга)аминогруппаикислотная(карбоксильная)группа,привзаимодействиикоторыхполучаетсяпептиднаясвязь,поэтомубелкиещеназываютполипептидами.

Пептиднаясвязь:–С–N–IIIOH

Структурыбелка

Первичнаяструктура –цепочкаизаминокислот,связанныхпептиднойсвязью(сильной,ковалентной).Чередуя20аминокислотвразномпорядке,можнополучатьмиллионыразныхбелков.Еслипоменятьвцепочкехотябыоднуаминокислоту,строениеифункциибелкаизменятся(геннаямутация,например,СКА).Поэтомупервичнаяструктурасчитаетсясамойглавнойвбелке.

Вторичнаяструктура –спираль.Удерживаетсяводороднымисвязями(слабыми).
Третичнаяструктура –глобула(шарик).Четыретипасвязей:

дисульфидная(серныймостик)сильная,

остальныетри(ионные,гидрофобные,водородные)–слабые.

Формаглобулыукаждогобелкасвоя,отнеезависятфункции.Приденатурацииформаглобулыменяется,иэтосказываетсянаработебелка.
Четвертичнаяструктура –имеетсянеувсехбелков.Состоитизнесколькихглобул,соединенныхмеждусобойтемижесвязями,чтоивтретичнойструктуре.(Например,гемоглобин.)

Функциибелковспримерами

1.Сигнальная(рецепторная)

· адренорецепторсообщаетклеткеоприсоединенииадреналина

· родопсинразлагаетсяподвоздействиемсветаизапускаетцепочкуреакций,возбуждающихпалочку

2.Ферментативная(каталитическая)

· амилазарасщепляеткрахмалдомальтозы

· каталазарасщепляетперекисьводородадоводыикислорода

· ДНК-полимеразасинтезируетДНК

3.Строительная(структурная)

· коллагенпридаетупругостьсоединительнойткани

· восновномизкератинасостоятрога,копыта,ногти,волосы

4.Двигательная

· актинимиозинвходятвсоставмиофибрилл

· динеиникинезинобеспечиваютдвижениехромосомпонитямверетенаделения

5.Транспортная

· гемоглобинпереноситкислород

· калий-натриеваяАТФ-азазасчетэнергииАТФвыкачиваетизклетки3натрияизакачивает2калия

6.Защитная

· антитела(иммуноглобулины)присоединяютсякантигенам,уменьшаяихактивность

· белкисистемыкомплементаразрушаютоболочкубактерий

7.Регуляторная

· инсулинускоряетработуглюкозныхпереносчиковвмембране

· гормонроста(соматотропин)усиливаетросторганизма

8.Запасные(резервные)

· казеин–белокмолока

· многобелковсодержитсявсеменах,например,бобовых

Углеводы

ИмеютобщуюформулуСх(Н2О)у,отсюданазвание.
Содержание:ворганизмахживотныхоколо5%,врастенияхигрибах–до70%(засчетклеточнойстенки).

3группыуглеводов

(растворяютсявводеиимеютсладкийвкус)

Пентозы(пятиуглеродные)

Рибоза(входитвсоставАТФ,РНК)

Дезоксирибоза(входитвсоставДНК)

Гексозы(шестиуглеродные)

Глюкоза(главныйсубстратклеточногодыхания)

Фруктоза(входитвсоставфруктовимеда)

Галактоза(входитвсоставлактозы)

2. Дисахара (состоятиздвухмоносахаров,растворяютсявводе,имеютсладкийвкус)

Сахароза(свекловичный,тростниковый,пищевойсахар)состоитизглюкозыифруктозы.Транспортируетсяпофлоэмерастений.

Лактоза(молочныйсахар)состоитизглюкозыигалактозы.Входитвсоставмолока.

Мальтоза(солодовыйсахар)состоитиздвухглюкоз.Образуетсяпригидролизекрахмалаамилазой.

3. Полисахара (состоятизмножествамоносахаров,вводенерастворяются,вкусанеимеют)

Полимерыглюкозы:

Крахмал–запаснойуглеводурастений

Гликоген–запаснойуглеводуживотныхигрибов

Целлюлоза–компонентклеточнойстенкирастений

Полимерыдругихвеществ

Хитин–компонентклеточнойстенкигрибовипанцирячленистоногих

Муреин(пептидогликан)–компонентклеточнойстенкибактерий

Функции углеводов:

энергетическая–глюкоза,крахмал

строительная(структурная)–целлюлоза,хитин

Нуклеиновые кислоты

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – полимер, состоит из нуклеотидов.

Нуклеотид ДНК состоит из

• азотистого основания (в ДНК 4 типа: аденин, тимин, цитозин, гуанин)
• моносахара дезоксирибозы
• фосфорной кислоты

 

Нуклеотиды соединяются между собой прочной ковалентной связью через сахар одного нуклеотида и фосфорную кислоту другого. Получается полинуклеотидная цепь.

 

Две полинуклеотидные цепи соединяются друг с другом слабыми водородными связями между азотистыми основаниями по правилу комплементарности: напротив аденина всегда стоит тимин, напротив цитозина – гуанин (они подходят друг другу по форме и числу водородных связей – между А и Т две связи, между Ц и Г – 3). Получается двойная цепь ДНК, она скручивается в двойную спираль.

Функция ДНК

ДНК входит в состав хромосом, хранит наследственную информацию (о признаках организма, о первичной структуре белков).

 

ДНК способна к самоудвоению (репликации, редупликации). Самоудвоение происходит в интерфазе перед делением. После удвоения каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые во время будущего деления превратятся в дочерние хромосомы. Благодаря самоудвоению каждая из будущих дочерних клеток получит одинаковую наследственную информацию.

Виды РНК

• информационная (матричная) РНК
• переносит информацию о строении белка из ядра (от ДНК) в цитоплазму (к рибосоме);
• меньше всего в клетке;
• транспортная РНК
• переносит аминокислоты к рибосоме;
• самая маленькая, имеет форму клеверного листа;
• рибосомная РНК
• входит в состав рибосом;
• самая большая по размерам и количеству

Подробнее по этому вопросу: https://foxford.ru/wiki/biologiya/stroenie-nukleinovyh-kislot

Правила хромосом

 

1. Правило постоянства числа хромосом — соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное число хромосом (у человека — 46, у кошки — 38, у мушки дрозофилы — 8, у собаки — 78, у курицы — 78).

2. Правило парности хромосом — каждая хромосома в соматических клетках

(см. ниже деление клеток) имеет такую же идентичную по размерам, форме, но не одинаковую по происхождению хромосому: одну — от отца, другую — от матери.

3. Правило индивидуальности хромосом — каждая пара хромосом отличается

от другой пары размером, формой, которая зависит от расположения центромеры, чередованием светлых и темных полос, которые выявляются при дифференциальной окраске.

4. Правило непрерывности хромосом — перед делением клетка ДНК удваивается и к каждой из двух исходных нитей достраивается по принципу комплементарности новые нити ДНК, в результате образуются две молекулы ДНК, из которых получаются две сестринские хроматиды. Комплементарные нуклеотидные последовательности — это полинуклеотидные последовательности, которые взаимодействуют между собой в соответствии с правилом спаривания азотистых оснований: аденин (А) образует пару с тимином (Т) и т. д. После деления в дочерние клетки попадает по одной хроматиде, таким образом, хромосомы непрерывны: хромосомы от хромосом. Хроматид — это удвоенные (парные) молекулы ДНК. Центромера — внутренний участок хромосомы, в котором происходит присоединение нити веретена, обеспечивающий при делении клетки движение хромосом к центру деления при митозе (см. ниже).

Все хромосомы подразделяются на аутосомы и половые хромосомы. Половые хромосомы определяют пол организма. В половых клетках, где находятся половые хромосомы, присутствует одинарный (гаплоидный) набор хромосом. Аутосомы — это все хромосомы в клетках, за исключением половых хромосом. Неполовая клетка многоклеточного организма называется соматической (от соответствующего греческого слова — тело) клеткой. В соматических клетках присутствует двойной (диплоидный) набор хромосом.

Кариоти́п — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток.

Жизненный цикл клетки

 

G1 – пресинтетический период

S – синтетический период

G2 – постинтетический период

G0 – период пролиферативного покоя

Клеточным циклом или жизненным циклом клетки называется совокупность процессов, происходящих в клетке от 1-го деления (появление ее в результате деления) до следующего деления или до смерти клетки.

Митотический цикл – период подготовки клетки к делению и само деление. Митотический цикл клетки состоит из интерфазы и митоза. Интерфаза разделена на 3 периода:

1. Пресинтетический или постмитотический.

2. Синтетический.

3. Постсинтетический или премитотический.

Продолжительность митотического цикла составляет от 10 до 50 часов. В пресинтетический период клетка выполняет свои функции, увеличивается в размерах, т.е. активно растет, увеличивается количество митохондрий, рибосом, идет синтез белков, нуклеотидов, накапливается энергия в виде АТФ, синтезируется РНК.

Хромосомы представляют собой тонкие хроматиновые нити, каждая состоит из одной хроматиды. Содержание генетического материала в клетке обозначают следующим образом: с - количество ДНК в одной хроматиде, n – набор хромосом.

Клетка в G₁ содержит диплоидный набор хромосом, каждая хромосома имеет одну хроматиду (2с ДНК 2n хромосом).

В S - периоде происходит репликация молекул ДНК и их содержание в клетке удваивается, каждая хромосома становится двухроматидной (т.е. хроматида достраивает себе подобную). Генетический материал становится 4с2п, центриоли клетки тоже удваиваются.

 Продолжительность S- периода у млекопитающих 6-10 часов. Клетка продолжает выполнять свои специфические функции.

В G₂ - периоде клетка готовится к митозу: накапливается энергия, затухают все синтетические процессы, клетка прекращает выполнять основные функции, накапливаются белки для построения веретена деления. Содержание генетической информации не изменяется (4с2n). Продолжительность этого периода 3-6 часов.

Митоз – это непрямое деление, основной способ деления соматических клеток.

Митоз – непрерывный процесс и условно делится на 4 стадии: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Наиболее продолжительны первая и последняя. Длительность митоза 1-2 часа.

1. Профаза. В начале профазы центриоли расходятся к полюсам клетки, от центриолей начинают формироваться микротрубочки, которые тянутся от одного полюса к другому и по направлению к экватору клетки, образуя веретено деления. К концу профазы растворяются ядрышки, ядерная оболочка. К центромерам хромосом прикрепляются нити веретена деления, хромосомы спирализуются и устремляются к центру клетки. Содержание генетической информации при этом не изменяется (4с2n).

2.Метафаза. Длительность 2-10 мин. Короткая фаза, хромосомы располагаются на экваторе клетки, причем центромеры всех хромосом располагаются в одной плоскости – экваториальной. Между хроматидами появляются щели. В области центромер с двух сторон имеются небольшие дисковидные структуры – кинетохоры. От них так же, как и от центриолей отходят микротрубочки, которые располагаются между нитями веретена деления.

Существует точка зрения, что именно кинетохорные микротрубочки заставляют центромеры всех хромосом выстраиваться в области экватора. Это стадия наибольшей спирализации хромосом, когда их удобнее всего изучать. Содержание генетической информации при этом не изменяется (4с2n).

3. Анафаза длится 2-3 минуты, самая короткая стадия. В анафазе происходит расщепление центромер и разделение хроматид. После разделения одна хроматида (сестринская хромосома) начинает двигаться к одному полюсу, а другая половина – к другому.

Предполагается, что движение хроматид обусловлено скольжением кинетохорных трубочек по микротрубочкам центриолей. Именно микротрубочки генерируют силу, обуславливающую расхождение хроматид. По другой версии, нити веретена деления плавятся и увлекают за собой хроматиды.

В клетке находится два диплоидных набора хромосом- 4с4n (у каждого полюса 2с2n).

4. Телофаза. В телофазу формируются ядра дочерних клеток, хромосомы деспирализуются, строятся ядерные оболочки, в ядре появляются ядрышки.

Цитокинез – деление цитоплазмы, происходит в конце телофазы.

В животных клетках цитоплазматическая мембрана впячивается внутрь. Клеточные мембраны смыкаются, полностью разделяя две клетки. В растительных клетках из мембран пузырьков Гольджи образуется клеточная пластинка, расположенная в экваториальной плоскости. Клеточная пластинка, разрастаясь полностью, разделяет две дочерние клетки. В каждой клетке 2с 2n.

                                    Митоз

Значение митоза.

1.Поддержание постоянства числа хромосом. Митоз – наследственно равное деление.

Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении сестринских хромосом между дочерними клетками, что обеспечивает образование генетически равноценных клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений.

2. Обеспечивание роста организма.

3.Замещение изношенных клеток, поврежденных тканей, регенерацию утраченных частей.

Так, у человека замещаются клетки кожи, эпителий кишечника, эпителий легких, клетки крови – всего в день 1011 клеток.

4. Митоз лежит в основе бесполого размножения.

Амитоз - прямое деление клетки путем перешнуровки ядра без спирализации чивается равномерное распределение генетического материала между дочерними ядрами. После амитотического деления клетки не могут митотически делиться. Амитозом делятся клетки при воспалительных процессах, злокачественном росте. Амитоз встречается в клетках некоторых специализированных тканей, например, в поперечно – полосатой мускулатуре, соединительной ткани.

Дифференциация и специализация клеток.

Дифференциация – это формирование различных типов клеток и тканей в ходе развития многоклеточного организма. Одна из гипотез связывает дифференцировку с экспрессией генов в процессе индивидуального развития. Экспрессия – процесс включения тех или иных генов в работу, который создает условия для направленного синтеза веществ. Поэтому происходит развитие и специализация тканей в том или ином направлении

Пролиферация клеток

Пролиферация - увеличение числа клеток путем митоза, которое приводит к росту и обновлению ткани. Интенсивность пролиферации регулируется веществами, которые вырабатываются как внутри клеток, так и вдали от клеток. Современные данные свидетельствуют о том, что одним из регуляторов пролиферации на клеточном уровне являются кейлоны. Кейлоны – гормоноподобные вещества, являющиеся полипептидами или гликопротеинами. Они образуются всеми клетками и внутри клеток высших организмов, обнаружены в различных жидкостях организма, в том числе и в моче. Кейлоны подавляют митотическую активность клеток. Так же они участвуют в регуляции роста тканей, заживлении ран, иммунных реакциях.

Гормональные механизмы – дистантные регуляторы пролиферации на организменном уровне. Например, уровень эритроцитов в высокогорных районах повышается за счет секреции в специализированных клетках почек гормона эритропоэтина. У жителей высокогорья количество эритроцитов больше, чем у людей, живущих на равнине.

Кроме того, существуют гипотезы о причинах, побуждающих клетку делиться. Например:

 - объемная – клетка, достигнув определенного объема, делится. Изменяются ядерно–цитоплазматические отношения (от 1/6 до 1/69),

 - гипотеза «митогенетических лучей ». Делящиеся клетки стимулируют к митозу расположенные рядом клетки,

 - гипотеза «раневых гормонов ». Поврежденные клетки выделяют особые вещества, способствующие митозу неповрежденных клеток.

Формы бесполого размножения

1. Деление клетки надвое характерно для одноклеточных орга-низмов (простейших, бактерий).

2. Множественное деление – шизогония (малярийный плазмо-дий).

3. Спорообразование – размножение с помощью специальных клеток–спор (грибы, папоротники, мхи, водоросли).

4. Почкование - на материнском организме образуется бугорок – почка, развивающаяся в самостоятельный организм (кишечно-полостные).

5. Фрагментация – распад тела на части, которые затем превра-щаются в полноценные организмы (кольчатые черви).

6. Вегетативное размножение – образование новой особи из части родительской. Встречается у растений и грибов.

Половое размножение

При половом размножении происходит рекомбинация наслед-ственного материала и появляется потомство, генетически отлич-ное от родителей.

Половое размножение характерно для многоклеточных, но су-ществует и у одноклеточных организмов. Выделяют две формы полового процесса у одноклеточных:

1) конъюгация – при этой форме половые клетки не образуются. Конъюгация как своеобразная форма полового процесса существует у инфузорий. Две инфузории временно соединяются, между ними образуется цитоплазматический мостик, через который происходит обмен наследственной информацией. Затем инфузории расходятся и у них появляются новые свойства и признак

2) гаметическая копуляция – когда формируются половые клетки и происходит их попарное слияние.

Виды копуляции:

1) изогамия – две половые клетки не имеют внешних различий, обе маленькие и подвижные,

2) анизогамия – мужская половая клетка маленькая и подвижная, женская – крупная и тоже подвижная. Сливаться могут как ма-ленькая с большой, так и две маленькие,

3) овогамия – половые клетки различны по форме и размера

 

Овогенез.

Овогенез протекает в яичнике и включает периоды размножения, роста, созревания. В период размножения из зачатковых клеток гонобластов путем митозов увеличивается число диплоидных половых клеток – овогоний. Этот период завершается до рождения. Большая часть клеток гибнет.

Период роста – объем клеток увеличивается в сотни раз за счет накопления желтка и образуется овоцит I порядка. Происходит репликация ДНК (4с 2n).

Овоциты I порядка вступают в профазу I деления мейоза. Эта фаза у человека длится до полового созревания. С момента полового созревания происходит завершение первого деления мейоза и образуется маленькая клетка – направительное тельце и крупный овоцит II порядка (2с 1n). После второго деления мейоза овоцит II порядка снова делится и образуется 1 овотида (гапло-идная яйцеклетка) и направительное тельце. Первое направительное тельце тоже делится на два. Образующиеся направительные клетки затем исчезают.

Гистогенез и органогенез

Гистогенез – процесс формирования тканей в эмбриогенезе.Органогенез – процесс формирования систем органов в эмбриогенезе.

 

Определениенаукибиология.Еепредмет,методыизучения.Определениесущностижизни.Основныесвойстваживыхорганизмов.Уровниорганизацииживого.