Введение

Биология — наука о жизни. Важнейшая задача биологии — изучение многообразия, строения, жизнедеятельности, индивидуального развития и эволюции живых организмов, их взаимоотношений со средой обитания.

Живые организмы имеют ряд особенностей, отличающих их от неживой природы. По отдельности каждое из отличий достаточно условно, поэтому их следует рассматривать в комплексе.

Строение, примеры и функции углеводов

Углеводы — органические соединения, состав которых в большинстве случаев выражается общей формулой Cn (H2O)m (n и m ≥ 4). Углеводы подразделяются на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды — простые углеводы, в зависимости от числа атомов углерода подразделяются на триозы (3), тетрозы (4), пентозы (5), гексозы (6) и гептозы (7 атомов). Наиболее распространены пентозы и гексозы. Свойства моносахаридов  — легко растворяются в воде, кристаллизуются, имеют сладкий вкус, могут быть представлены в форме α- или β-изомеров.

Строение белков

Белки — высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков α-аминокислот.

В состав белков входят углерод, водород, азот, кислород, сера. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь.

Белки обладают большой молекулярной массой: яичный альбумин — 36 000, гемоглобин — 152 000, миозин — 500 000. Для сравнения: молекулярная масса спирта — 46, уксусной кислоты — 60, бензола — 78.

К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

Строение и функции ДНК

Создание и основные положения клеточной теории

Клеточная теория — важнейшее биологическое обобщение, согласно которому все живые организмы состоят из клеток. Изучение клеток стало возможным после изобретения микроскопа. Впервые клеточное строение у растений (срез пробки) обнаружил английский ученый, физик Р. Гук, он же предложил термин «клетка» (1665 г.). Голландский ученый Антони ван Левенгук впервые описал эритроциты позвоночных, сперматозоиды, разнообразные микроструктуры растительных и животных клеток, различные одноклеточные организмы, в том числе бактерии и пр.

Цитоплазма

Цитоплазма — обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром; подразделяется на гиалоплазму (основное вещество цитоплазмы), органоиды (постоянные компоненты цитоплазмы) и включения (временные компоненты цитоплазмы). Химический состав цитоплазмы: основу составляет вода (60–90% всей массы цитоплазмы), различные органические и неорганические соединения. Цитоплазма имеет щелочную реакцию. Характерная особенность цитоплазмы эукариотической клетки — постоянное движение циклоз). Оно обнаруживается, прежде всего, по перемещению органоидов клетки, например хлоропластов. Если движение цитоплазмы прекращается, клетка погибает, так как, только находясь в постоянном движении, она может выполнять свои функции.

Органоиды — постоянные, обязательно присутствующие, компоненты клетки, выполняющие специфические функции.

Эндоплазматическая сеть

Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум (ЭПР), — одномембранный органоид. Представляет собой систему мембран, формирующих «цистерны» и каналы, соединенных друг с другом и ограничивающих единое внутреннее пространство — полости ЭПС. Мембраны с одной стороны связаны с цитоплазматической мембраной, с другой — с наружной ядерной мембраной. Различают два вида ЭПС: 1) шероховатая (гранулярная), содержащая на своей поверхности рибосомы, и 2) гладкая (агранулярная), мембраны которой рибосом не несут.

Строение и функции ядра

Как правило, эукариотическая клетка имеет одно ядро, но встречаются двуядерные (инфузории) и многоядерные клетки (опалина). Некоторые высоко­специализи­рованные клетки вторично утрачивают ядро (эритроциты млекопитающих, ситовидные трубки покрытосеменных).

Форма ядра — сферическая, эллипсовидная, реже лопастная, бобовидная и др. Диаметр ядра — обычно от 3 до 10 мкм.

К прокариотам относятся архебактерии, бактерии и синезеленые водоросли. Прокариоты — одноклеточные организмы, у которых отсутствуют структурно оформленное ядро, мембранные органоиды и митоз.

Строение бактериальной клетки

Размеры — от 1 до 15 мкм. Основные формы: 1) кокки (шаровидные), 2) бациллы (палочковидные), 3) вибрионы (изогнутые в виде запятой), 4) спириллы и спирохеты (спирально закрученные).

Обмен веществ

Обмен веществ — важнейшее свойство живых организмов. Совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме, называется метаболизмом. Метаболизм состоит из реакций ассимиляции (пластического обмена, анаболизма) и реакций диссимиляции (энергетического обмена, катаболизма). Ассимиляция — совокупность реакций биосинтеза, протекающих в клетке, диссимиляция — совокупность реакций распада и окисления высокомолекулярных веществ, идущих с  выделением энергии. Эти группы реакций взаимосвязаны: реакции биосинтеза невозможны без энергии, которая выделяется в реакциях энергетического обмена, реакции диссимиляции не идут без ферментов, образующихся в реакциях пластического обмена.

Энергетический обмен

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений. АТФ — универсальный источник энергообеспечения клетки. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

Фотосинтез

Фотосинтез — синтез органических веществ из углекислого газа и воды с обязательным использованием энергии света:

6СО2 + 6Н2О + Qсвета → С6Н12О6 + 6О2.

У высших растений органом фотосинтеза является лист, органоидами фотосинтеза — хлоропласты. В мембраны тилакоидов хлоропластов встроены фотосинтетические пигменты: хлорофиллы и каротиноиды. Существует несколько разных типов хлорофилла (a, b, c, d ), главным является хлорофилл a. В молекуле хлорофилла можно выделить порфириновую «головку» с атомом магния в центре и фитольный «хвост». Порфириновая «головка» представляет собой плоскую структуру, является гидрофильной и поэтому лежит на той поверхности мембраны, которая обращена к водной среде стромы. Фитольный «хвост» — гидрофобный и за счет этого удерживает молекулу хлорофилла в мембране.

Митотический цикл. Митоз

Митоз — основной способ деления эукариотических клеток, при котором сначала происходит удвоение, а затем равномерное распределение между дочерними клетками наследственного материала.

Митоз представляет собой непрерывный процесс, в котором выделяют четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Перед митозом происходит подготовка клетки к делению, или интерфаза. Период подготовки клетки к митозу и собственно митоз вместе составляют митотический цикл. Ниже приводится краткая характеристика фаз цикла.

Размножение — свойство живых организмов воспроизводить себе подобных. Существуют два основных способа размножения — бесполое и половое.

Бесполое размножение

Бесполое размножение осуществляется при участии лишь одной родительской особи и происходит без образования гамет. Дочернее поколение у одних видов возникает из одной или группы клеток материнского организма, у других видов — в специализированных органах. Различают следующие способы бесполого размножения: деление, почкование, фрагментация, полиэмбриония, споро­образование, вегетативное размножение.

Органом полового размножения покрытосеменных растений является цветок. Цветок — видоизмененный, укороченный, неразветвленный побег, предназначенный для образования спор и гамет и полового процесса, завершающегося образованием семян и плода.

Строение цветка

У цветка различают цветоножку, цветоложе, околоцветник, тычинки и пестики. У некоторых цветков отдельные части могут отсутствовать.

Онтогенез многоклеточных животных, размножающихся половым способом

Онтогенез — индивидуальное развитие особи, совокупность ее взаимосвязанных преобразований, закономерно совершающихся в процессе осуществления жизненного цикла от момента образования зиготы до смерти.

У многоклеточных животных, размножающихся половым способом, онтогенез подразделяется на эмбриональный (от образования зиготы до рождения или выхода из яйцевых оболочек) и постэмбриональный (от выхода из яйцевых оболочек или рождения до смерти организма) периоды. Зигота образуется в результате слияния мужской и женской половых клеток — гамет.

Основные понятия генетики

Генетика — наука о закономерностях наследственности и изменчивости. Датой «рождения» генетики можно считать 1900 год, когда Г. Де Фриз в Голландии, К. Корренс в Германии и Э. Чермак в Австрии независимо друг от друга «переоткрыли» законы наследования признаков, установленные Г. Менделем еще в 1865 году.

Наследственность — свойство организмов передавать свои признаки от одного поколения к другому.

В 1906 году У. Бэтсон и Р. Пеннет, проводя скрещивание растений душистого горошка и анализируя наследование формы пыльцы и окраски цветков, обнаружили, что эти признаки не дают независимого распределения в потомстве, гибриды всегда повторяли признаки родительских форм. Стало ясно, что не для всех признаков характерно независимое распределение в потомстве и свободное комбинирование.

Каждый организм имеет огромное количество признаков, а число хромосом невелико. Следовательно, каждая хромосома несет не один ген, а целую группу генов, отвечающих за развитие разных признаков. Изучением наследования признаков, гены которых локализованы в одной хромосоме, занимался Т. Морган. Если Мендель проводил свои опыты на горохе, то для Моргана основным объектом стала плодовая мушка дрозофила.

Хромосомное определение пола

Большинство животных являются раздельнополыми организмами. Пол можно рассматривать как совокупность признаков и структур, обеспечивающих способ воспроизводства потомства и передачу наследственной информации. Пол чаще всего определяется в момент оплодотворения, то есть в определении пола главную роль играет кариотип зиготы. Кариотип каждого организма содержит хромосомы, одинаковые у обоих полов, — аутосомы, и хромосомы, по которым женский и мужской пол отличаются друг от друга, — половые хромосомы.

Многочисленные опыты подтвердили правильность установленных Менделем закономерностей. Вместе с тем, появились факты, показывающие, что полученные Менделем числовые соотношения при расщеплении гибридного поколения соблюдались не всегда. Это указывало на то, что взаимоотношения между генами и признаками носят более сложный характер. Выяснилось: один и тот же ген может оказывать влияние на развитие нескольких признаков; один и тот же признак может развиваться под влиянием многих генов.

Следует отметить, что взаимодействие генов имеет биохимическую природу, то есть взаимодействуют друг с другом не гены, а их продукты. Продуктом эукариотического гена может быть или полипептид, или тРНК, или рРНК.

Изменчивость — способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства. Благодаря изменчивости, организмы могут приспосабливаться к изменяющимся условиям среды обитания.

Различают две основные формы изменчивости: наследственная и ненаследственная.

Наследственная, или генотипическая, изменчивость — изменения признаков организма, обусловленные изменением генотипа. Она, в свою очередь, подразделяется на комбинативную и мутационную. Комбинативная изменчивость возникает вследствие перекомбинации наследственного материала (генов и хромосом) во время гаметогенеза и полового размножения. Мутационная изменчивость возникает в результате изменения структуры наследственного материала.

Генетика как наука, изучающая вопросы наследственности и изменчивости, существует всего около сотни лет, и последние десятилетия ее развития были весьма плодотворны. Уже в эпоху Древнего мира люди пытались объяснить появление новых видов в животном и растительном мире, разобраться в правилах наследования различных признаков – как желательных, так и нежелательных.

Почему у членов одной семьи могут быть глаза разного цвета? Какие процессы в организме родителей влияют на пол будущего ребенка? Можно ли повысить урожайность съедобных злаков? Можно ли добиться того, чтобы потомки лошадей, на которых мы ездим сейчас, были более быстрыми и выносливыми, чем их родители? Вначале человек стремился хотя бы объяснить природные явления. Попытки подкрепить сложившиеся теории практически (например, выводить новые породы домашних животных) начались несколько позже.

Благодаря широкому распространению скотоводства и охоты ученые древности имели обширную базу для исследований. Для всех была очевидна возможность получения потомства от волка и собаки, от ослицы и жеребца… Но механизм формирования гибрида представлялся чем-то загадочным. Не было ясности и в вопросе о том, какие виды животных в принципе способны произвести на свет смешанное потомство: например, если возможно скрестить собаку и волка, то можно ли сделать это с пантерой и гепардом? В основном мыслители ограничивались тем, что констатировали большую или меньшую выраженность признаков одного из родителей гибрида и старались объяснить ее. Так, популярна была точка зрения, согласно которой плоды скрещивания будут более схожи с матерью, так как во время внутриутробного развития они получают питание только благодаря ей.

Достаточно ли признать наличие половых клеток у разнообразных организмов для того, чтобы раскрыть все тайны воспроизведения и наследственности? Конечно, нет. В любой сфере науки существует множество пересекающихся вопросов и проблем, и далеко не всегда решение одного из них способствует раскрытию всех остальных…

В XVII–XVIII вв. параллельно с изучением гибридизации и наследственности разгорался очередной спор о том, как, собственно, происходит развитие нового организма – не только у гибридов, но и при размножении в рамках одного вида или породы. На «поле боя» сошлись две теории – эпигенетическая и преформистская.

Вернемся к истории изучения гибридизации растений. Как мы помним, еще в государствах древнего Востока для повышения урожая применяли дополнительное искусственное опыление, хотя научно это никак обосновано не было и получением гибридов, вероятнее всего, никто не занимался. Земледельцев интересовало лишь увеличение урожайности.

В более поздние времена, на рубеже XVII–XVIII вв., в странах с развитым земледелием и растениеводством естествоиспытатели описывали случаи появления гибридных растений. В частности, если на соседних полях выращивали кукурузу с цветами разных оттенков, то потом констатировали, что на поле с белой кукурузой появляются растения, например, с розовыми или голубыми бутонами. Но исчерпывающего объяснения этот факт тогда не получил. Высказывались предположения, что смешение окраски происходит через почву и корни.

В Англии практически одновременно с исследованиями Кёльрейтера ставил опыты талантливый селекционер, основатель Лондонского общества садоводства – Томас Эндрю Найт (1759–1838 гг.). Он известен в первую очередь как исследователь явления гравитропности, объясняющего, почему корень растения всегда направлен вниз, а стебель – вверх. Помимо связи земного притяжения с ростом растений, Найт интересовался способами повышения урожайности и возможностью влиять на различные свойства даров природы.

В качестве материала для экспериментов англичанин избрал обычный горох. Такие особенности растения, как разнообразие окрасок, крупные семена, быстрый рост, делали его весьма удобным объектом исследования. Но в своих исследованиях Найт зачастую ограничивался обычным описанием хода эксперимента. Так, он обращал внимание на то, что при опылении цветков обычного гороха пыльцой, взятой от сорта с яркими семенами и цветами, в стручке сформировались обычные по виду семена. Будучи посеяны в землю, они уже породили яркие, схожие с «отцовскими» растения.

Множество важных выводов в области наследственности и изменчивости у растений сделал французский садовод Огюстен Сажрэ (1763–1851 гг.). В первую очередь он занимался разведением фруктовых деревьев, но, заинтересовавшись вопросами гибридизации, поставил сотни опытов по скрещиванию различных цветов, тыквенных и бахчевых культур. Как мы помним, многие предшественники Сажрэ обращали внимание на то, что различные признаки родителей – окраска, размеры, форма цветов и плодов – в той или иной степени проявляются у гибридных растений, но не выявляли никаких строгих закономерностей. Встречались также утверждения, что гибрид всегда представляет собой «среднее арифметическое»: условно говоря, если мы скрестим гвоздику с красными цветками и гвоздику с белыми цветками, то получим растение с лепестками розового цвета.

Дополнить и развить предположения Огюстена Сажрэ смог его соотечественник – Шарль Ноден (1815–1899 гг.).

Вообще в середине XIX в. развернулся новый виток дискуссии о том, каковы признаки и границы вида, рода и разновидности и каковы возможности скрещивания их представителей. Несмотря на то, что уже много лет прошло с того времени, когда вел свои изыскания Карл Линней, ясности в вопросах систематизации видов не было. Исследователи занимались выведением наиболее урожайных сортов фруктов и овощей, поэтому вполне закономерно, что их интересовал вопрос плодовитости гибридов. Представители Парижской академии наук в начале 1860-х гг. в основном сошлись во мнении, что плодовитыми могут быть только гибриды, полученные от родителей, принадлежащих к одному виду. Если же удавалось скрестить растения двух разных видов, то полученный в ходе эксперимента гибрид был бесплоден – получить потомство можно было только при помощи опыления обычной пыльцой, принадлежащей или родительскому растению, или негибридному представителю вида.

Свой вклад в изучение механизмов наследственности внес автор теории эволюции Чарлз Дарвин (1809–1882 гг.).

Ключевым понятием в его разработках был «естественный отбор». Дарвин считал, что если при разведении культурных садовых растений и домашних животных на первое место ставится искусственный отбор (он же селекция), проводимый человеком, то в природных условиях роль селекционера играет отбор естественный, организованный самой природой. Выживают особи, наиболее приспособленные к природным условиям, обладающие наиболее совершенным набором признаков.

Дарвиновская теория была значительно доработана немецким зоологом Августом Вейсманом (1834–1914 гг.). Первоначально он был горячим сторонником дарвинизма и много сил положил на популяризацию и защиту этого учения; естественный отбор как основа эволюции не вызывал у Августа Вейсмана сомнений. Но с течением времени он стал обнаруживать в теории Чарлза Дарвина слабые места и занялся экспериментами, желая опытным путем либо подтвердить, либо опровергнуть то, что его смущало. Вначале Вейсман заинтересовался возможностью наследования приобретенных признаков. Опыт, поставленный им, вошел в учебники по генетике: немецкий ученый хирургическим путем удалял хвосты у мышей из нескольких поколений одной семьи и выяснил, что в любом случае у бесхвостых родителей всегда рождаются мышата с обычными длинными хвостами!

Top.Mail.Ru Яндекс.Метрика