Тема 5.06. Генетика и эволюция

Ген (от греч. génos — род, происхождение), элементарная единица наследственности, представляющая отрезок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты— ДНК (у некоторых вирусов — рибонуклеиновой кислоты— РНК). Каждый ген определяет строение одного из белков живой клетки и тем самым участвует в формировании признака или свойства организма. Совокупность ген — генотип— несёт генетическую информацию о всех видовых и индивидуальных особенностях организма.

Аллель элементарная единица наследственности возникаеткогда ген изменяется в результате мутаций, которые в общем виде можно определить как нарушение существующей последовательности нуклеотидов в ДНК. Это изменение может быть обусловлено заменой одной пары нуклеотидов другой парой (трансверсии и транзиции), выпадением нуклеотидов (делеция), удвоением (дупликация) или перемещением участка (транслокация). В результате возникают новые аллели, которые могут быть доминантными рецессивными или проявлять частичную доминантность.

Хромосомы (от хромо... и сома), органоиды клеточного ядра, совокупность которых определяет основные наследственные свойства клеток и организмов. Полный набор хромосом в клетке, характерный для данного организма, называется кариотипом. В любой клетке тела большинства животных и растений каждая хромосома представлена дважды: одна из них получена от отца, другая — от матери при слиянии ядер половых клеток в процессе оплодотворения. Такие хромосомы называются гомологичными, набор гомологичных хромосом — диплоидным.

Геном [нем. Genom, англ. genom (e)], гаплоидный хромосомный набор; совокупность генов, локализованных в одиночном наборе хромосом данного организма.

Генотип (от ген и тип), совокупность всех генов, локализованных в хромосомах данного организма. В более широком смысле генотип — совокупность всех наследственных факторов организма — как ядерных (геном), так и неядерных, внехромосомных (т. е. цитоплазматических и пластидных наследственных факторов).

Фенотип [от фен (биол.) и тип ], особенности строения и жизнедеятельности организма, обусловленные взаимодействием его генотипа с условиями среды.

Изменчивость - разнообразие признаков и свойств у особей и групп особей любой степени родства. Изменчивость присуща всем живым организмам, поэтому в природе отсутствуют особи, идентичные по всем признакам и свойствам. Различают изменчивость наследственную (генотипическую) и ненаследственную (паратипическую) и др.

Наследственная изменчивость обусловлена возникновением разных типов мутацийи их комбинаций в последующих скрещиваниях. В каждой достаточно длительно (в ряде поколений) существующей совокупности особей спонтанно и ненаправленно возникают различные мутации, которые в дальнейшем комбинируются более или менее случайно с разными уже имеющимися в совокупности наследственными свойствами.

Ненаследственная изменчивость - изменения признаков и свойств, которые у особей или определённых групп особей вызываются воздействием внешних факторов (питание, температура, свет, влажность и т. д.). Такие ненаследственные признаки (модификации) в их конкретном проявлении у каждой особи не передаются по наследству, они развиваются у особей последующих поколений лишь при наличии условий, в которых они возникли.

Причины мутаций — увеличение числа наборов хромосом, когда вместо обычных для диплоидных организмов 2 наборов хромосом их может быть 3, 4 и т. д. Это возможно когда хромосомы в начале клеточного деления — митоза — разделились, но деления клетки почему-либо не произошло.

Мутагенные факторы это причины приводящие к хромосомным перестройкам под воздействием внешних физических и химических факторов.

Популяционная генетика -раздел генетики, изучающий генетическое строение и динамику генетического состава популяций. Факторами, определяющими в популяциях изменения частот отдельных генов и генотипов, являются мутационный процесс, характер внутрипопуляционных скрещивании и межпопуляционные миграции, случайные флюктуации и единственный направляющий фактор эволюции — естественный отбор.

Наследственная гетерогенность (в пределах единого генофонда популяции), определяет приспособленность популяции к различным условиям среды обитания и создает столь важный для эволюции резерв наследственной изменчивости.

Генетическое единство является основной характеристикой популяции, определяющей её центральное положение как элементарной единицы эволюционного процесса так как в пределах популяции в той или иной степени осуществляется свободное скрещивание особей или какой-либо другой внутривидовой группы.

Динамическое равновесие отдельных генотипов, заключается в том что природные популяции насыщены мутациями, главным образом рецессивными, сохраняются в гетерозиготном состоянии под покровом нормального фенотипа. В неограниченно больших популяциях при свободном скрещивании и отсутствии «давления» отбора концентрация аллельных генов и соответствующих генотипов(АА, Aa, aa) они находится в определённом равновесии, описываемом формулой английского математика Г. Харди и немецкого врача В. Вайнберга:

p²AA+2pqAa+q²aa,

где коэффициенты р и q — концентрации доминантного и рецессивного генов, выраженные в долях, т. е. р+q=1.

Биосфера и человек

Тема 6.01. Экосистемы

Экосистема (от греч. óikos — жилище, местопребывание и система), природный комплекс (биокосная система), образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания (косной, например атмосфера, или биокосной — почва, водоём и т.п.), связанными между собой обменом веществ и энергии. Одно из основных понятий экологии, приложимое к объектам разной сложности и размеров. Примеры экосистем:

— пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, донными отложениями, с характерными для него изменениями температуры, количества растворённого в воде кислорода, состава воды и т.п., с определённой биологической продуктивностью.

— лес с лесной подстилкой, почвой, микроорганизмами, с населяющими его птицами, травоядными и хищными млекопитающими, с характерным для него распределением температуры и влажности воздуха, света, почвенных вод и др. факторов среды, с присущим ему обменом веществ и энергии и т.д.

Биотоп (био... и греч. topós — место), участок земной поверхности (суши или водоёма) с однотипными абиотическими условиями среды (рельеф, почвы, климат и т.п.), занимаемый тем или иным биоценозом. Характерный для данного биотопа комплекс условий определяет как видовой состав организмов, так и особенности их существования и, в свою очередь, подвергается изменениям под воздействием биоценоза. Таким образом биотоп является неорганический компонент биогеоценоза. Сходные биотопы объединяют в биохоры, совокупности которых составляют биоциклы.

Биоценоз (от био... и греч. koinós — общий), совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма и характеризующихся определёнными отношениями как между собой, так и с абиотическими факторами среды.

Биологическая структура экосистем включает в себя:

продуценты (от лат. producens — производящий, создающий), организмы, способные к фото- или хемосинтезу и являющиеся в пищевой цепи созидателями органического вещества.

консументы (от лат. Consume — потребляю), организмы, являющиеся в пищевой цепи потребителями органического вещества.

редуценты (от лат. Reducens — возвращающий, восстанавливающий), организмы минерализующие мёртвое органическое вещество, т. е. разлагающие его до более или менее простых неорганических соединений. Подавляющее большинство редуцентов это микроорганизмы, обитающие в почве, воде. Редуценты относятся к консументам.

Виды природных экосистем:

природные экосистемы делятся на два вида: открытые и замкнутые экологические системы. В идеальном случае экосистемы со сбалансированной жизнедеятельностью автотрофных организмов и гетеротрофных организмов могут приближаться к замкнутой системе, обменивающейся с окружающей средой только энергией. Однако в естественных условиях длительное существование экосистемы возможно только при притоке из окружающей среды не только энергии, но и большего или меньшего кол-ва вещества. Все реальные экосистемы в совокупности слагающие биосферу Земли, принадлежат к открытым системам, обменивающимся с окружающей их средой не только энергией, но и веществом.

Цепи питания, пищевые, или трофические, цепи, ряды видов растений, животных, грибов и микроорганизмов, связанных друг с другом отношениями: пища — потребитель. Организмы последующего звена поедают организмы предыдущего звена и т. о. осуществляется цепной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круговорота веществв природе. При каждом переносе от звена к звену теряется большая часть (до 80—90%) (правило 10%) потенциальной энергии, рассеивающейся в виде тепла. По этой причине число звеньев (видов) в ценях питания ограничено и не превышает обычно 4—5.

Биотические факторы среды, совокупность влияний, оказываемых на организмы жизнедеятельностью других организмов. Эти влияния носят самый разнообразный характер. Живые существа могут служить источником пищи для других организмов, являться средой обитания (например, организм-хозяин, в котором поселяются паразиты), способствовать их размножению (например, деятельность животных-опылителей), оказывать химическое (токсины бактерий), механическое и другие воздействия.

Абиотические факторы среды, совокупность условий неорганической среды, влияющих на организмы. Абиотические факторы делятся на химические (химический состав атмосферы, морских и пресных вод, почвы или донных отложений) и физические, или климатические (температура, барометрическое давление, ветер, течения, радиационный режим и т. д.). Строение поверхности (рельеф), геологические и климатические различия земной поверхности создают огромное разнообразие абиотических факторов, играющих неодинаковую роль в жизни приспособившихся к ним видов животных, растений и микроорганизмов.

Антропогенные факторы среды, внесённые в природу человеческой деятельностью изменения, воздействующие на органический мир. Переделывая природу и приспосабливая её к своим потребностям, человек изменяет среду обитания животных и растений, влияя тем самым на их жизнь. Воздействие может быть косвенным и прямым. Косвенное воздействие осуществляется путём изменения ландшафтов — климата, физического состояния и химизма атмосферы и водоёмов, строения поверхности земли, почв, растительности и животного населения. Прямое воздействие направлено непосредственно на живые организмы. Например, нерациональные рыболовство и охота резко сократили численность ряда видов популяций.

Формы биотических отношений рассмотрены в биотических, абиотических и антропогенных факторах.

Толерантность (от лат. tolerantia — терпение) иммунологическая, отсутствие или ослабление иммунологического ответа на данный антиген при сохранении иммунореактивности ко всем прочим антигенам. Термин введён в 1953 английским иммунологом П. Медаваром для обозначения «терпимости» иммунной системы организма к пересаженным инородным тканям.

Тема 6.02. Биосфера

Биосфера (от био... и сфера), оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов. Биосфера охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны сложными биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии. Биосфера включает не только область жизни (биогеосферу, фитогеосферу, геомериду, витасферу), но и другие структуры Земли, генетически связанные с живым веществом. По Вернадскому, вещество биосферы состоит из семи разнообразных, но геологически взаимосвязанных частей: живое вещество; биогенное вещество; косное вещество; биокосное вещество; радиоактивное вещество; рассеянные атомы; вещество космического происхождения. В пределах биосферы везде встречается либо живое вещество, либо следы его биогеохимической деятельности. Газы атмосферы (кислород, азот, углекислота), природные воды, равно как и каустобиолиты (нефти, угли), известняки, глины и их метаморфические производные (сланцы, мраморы, граниты и др.) в своей основе созданы живым веществом планеты. Слои земной коры, лишённые в настоящее время живого вещества, но переработанные им в геологическом прошлом, Вернадский относил к области «былых биосфер».

 

Живое вещество, 1) совокупность живых организмов биосферы, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе и энергии. Термин введён В. И. Вернадским. Живое вещество связано с биосферой материально и энергетически посредством биогенной миграции атомов в результате дыхания, питания, роста и размножения организмов. Представлено живое вещество автотрофными организмами (зелёные растения и автотрофные микроорганизмы), гетеротрофными организмами (бесхлорофильные растения, все животные, человек), миксотрофными организмами, которые питаются готовыми органическими соединениями, хотя и способны их синтезировать.

Косное вещество – продукт проявления биохимических функций живых веществ связанных с разложением организмов после их смерти, т. е. превращением живых веществ в косное. В результате этих процессов образуются биогенные и биокосные вещества биосферы.

Биогенное вещество образуется как одно из проявлений геологической работы живых веществ в создании органогенных осадочных пород (каменный уголь, битумы, известняки, нефть и т. д.).

Геохимические функции живых веществ способствуют миграции химических элементов на Земле и развитие биохимических процессов. Огромное значение имеет скорость размножения организмов, т. е. общая продукция органического вещества, образуемая за определённое время. Особенно это относится к низшим организмам — бактериям, грибкам, водорослям и др., обладающим высокой скоростью размножения. В состав живого вещества входят все известные химические элементы и их изотопы. Но основную массу любого организма составляет ограниченное число известных химических элементов, которые в условиях биосферы образуют легкоподвижные и легкорастворимые соединения, например газы CO₂ или NH₃, H₂O, ионы Н⁺, OH^-, NO₃^-, Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, а также тяжёлые металлы, образующие высокоокисленные комплексные ионы.

Биогенная миграция химических элементов, перемещение химических элементов в биосфере при участии микроорганизмов, растений и животных. Миграция элементов может происходить в жидкой фазе (в расплавах, в гидротермальных растворах, в подземных и поверхностных водах), в газообразной фазе (с вулканическими газами и фумаролами, газами минеральных источников, нефтяных месторождений и разлагающихся органических соединений) и в твёрдой фазе (в результате диффузии и перекристаллизации).

Радиоактивный фон, естественный радиационный фон, ионизирующие излучения, источниками которых являются космические лучи и естественно распределённые в природе радионуклиды. Космические лучи представляют собой поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из мирового пространства. Естественые радионуклиды принадлежат к сильно рассеянным элементам и повсеместно присутствуют в окружающей среде.