Биология с основами экологии

скачать книгу бесплатно

Биология с основами экологии
Юлия Владимировна Блинохватова

Дмитрий Юрьевич Ильин

Галина Викторовна Ильина

В методических указаниях приводится теоретический материал, необходимый для выполнения практических работ студентами. Предложены порядок выполнения работ, тестовые задания и контрольные вопросы к каждому разделу.

Блинохватова Ю. В., Ильин Д. Ю., Ильина Г. В.

Биология с основами экологии

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

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

Занятие № 1. Строение клетки

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

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

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

– все живое состоит из клеток;

– общий принцип развития элементарных частей организма – клеткообразование;

– все клетки сходны по химическом составу и протекающим процессам;

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

Все ткани состоят из клеток;

Пятый принцип сформулирован позже немецким врачом Р. Вирховым:

– всякая клетка происходит от клетки и предшествует клетке.

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

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

Задание 1.

Заполните таблицу 1.

Таблица 1 – Химические вещества в клетке

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 1 – Строение животной клетки

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

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

Рисунок 2 – Строение растительной клетки

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

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

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

Задание 2.

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

Таблица 2 – Основные органеллы клетки, их строение и функции

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

Задание 3.

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

Таблица 3 – Строение клеток различных организмов

Проверьте свои знания, решив тестовые задания:

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

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

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

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

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

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

Контрольные вопросы:

1. Охарактеризуйте основные свойства и признаки живой материи.

2. На чем основан принцип химического единства живого?

3. Строение клетки, отличия растительных клеток от животных.

4. Сформулируйте основные положения клеточной теории.

Занятие № 2. Закономерности наследственности и изменчивости

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

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

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

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