Реферат: Основы биологии

Основы биологии

1.      Онтогенез организма. Эмбриональный и постэмбриональный периоды

Онтогене́з - индивидуальное развитие организма от оплодотворения <#"791561.files/image001.gif">

Рис.1 Онтогенез животных

Сравнение зародышей позвоночных на разных стадиях эмбрионального развития. Печально знаменитая иллюстрация из работы Эрнста Геккеля <#"791561.files/image002.gif">

Рис.2 Гаструляция

Один из механизмов гаструляции - инвагинация (впячивание части стенки бластулы внутрь зародыша)1 - бластула, 2 - гаструла.

Гаструляция <#"791561.files/image003.gif">

К органическим веществам относятся все соединения углерода за исключением его оксидов и нитридов. В наибольшем количестве образуются при фотосинтезе такие органические вещества, как углеводы (в первую очередь сахара и крахмал), аминокислоты (из которых строятся белки) и, наконец, жирные кислоты (которые в сочетании с глицерофосфатом служат материалом для синтеза жиров). Из неорганических веществ для синтеза всех этих соединений требуются вода (Н2О) и диоксид углерода (СО2). Для аминокислот требуются, кроме того, азот и сера. Растения могут поглощать эти элементы в форме их оксидов, нитрата (NO3-) и сульфата (SO42-) или в других, более восстановленных формах, таких, как аммиак (NH3) или сероводород (сульфид водорода H2S). В состав органических соединений может включаться при фотосинтезе также фосфор (растения поглощают его в виде фосфата) и ионы металлов - железа и магния. Марганец и некоторые другие элементы тоже необходимы для фотосинтеза, но лишь в следовых количествах. У наземных растений все эти неорганические соединения, за исключением СО2, поступают через корни. СО2 растения получают из атмосферного воздуха, в котором средняя его концентрация составляет 0,03%. СО2 поступает в листья, а О2 выделяется из них через небольшие отверстия в эпидермисе, называемые устьицами. Открывание и закрывание устьиц регулируют особые клетки - их называют замыкающими - тоже зеленые и способные осуществлять фотосинтез. Когда на замыкающие клетки падает свет, в них начинается фотосинтез. Накопление его продуктов вынуждает эти клетки растягиваться. При этом устьичное отверстие открывается шире, и СО2 проникает к нижележащим слоям листа, клетки которых могут теперь продолжать фотосинтез. Устьица регулируют и испарение воды листьями, т.н. транспирацию, поскольку большая часть водяных паров проходит именно через эти отверстия. Водные растения добывают все необходимые им питательные вещества из воды, в которой живут. СО2 и ион бикарбоната (HCO3-) тоже содержатся и в морской, и в пресной воде. Водоросли и другие водные растения получают их непосредственно из воды. Свет в фотосинтезе играет роль не только катализатора, но и одного из реагентов. Значительная часть световой энергии, используемой растениями при фотосинтезе, запасается в виде химической потенциальной энергии в продуктах фотосинтеза. Для фотосинтеза, идущего с выделением кислорода, в той или иной мере пригоден любой видимый свет от фиолетового (длина волны 400 нм) до среднего красного (700 нм). При некоторых видах бактериального фотосинтеза, не сопровождающегося выделением O2, может эффективно использоваться свет с большей длиной волны, вплоть до дальнего красного (900 нм). Выяснение природы фотосинтеза началось еще во времена зарождения современной химии. Работы Дж.Пристли (1772), Я.Ингенхауза (1780), Ж. Сенебье (1782), а также химические исследования А.Лавуазье (1775, 1781) позволили сделать вывод, что растения превращают диоксид углерода в кислород и для этого процесса необходим свет. Роль воды оставалась неизвестной до тех пор, пока на нее не указал в 1808 Н.Соссюр. В своих очень точных экспериментах он измерял прирост сухого веса растения, растущего в горшке с землей, а также определял объем поглощенного диоксида углерода и выделенного кислорода. Соссюр подтвердил, что весь углерод, включенный растением в органические вещества, происходит из диоксида углерода. В то же время он обнаружил, что прирост сухого вещества растения был больше, чем разность между весом поглощенного диоксида углерода и весом выделенного кислорода. Поскольку вес почвы в горшке существенно не изменялся, единственным возможным источником увеличения веса следовало считать воду. Так было показано, что одним из реагентов в фотосинтезе является вода. Значение фотосинтеза как одного из процессов превращения энергии не могло быть оценено до тех пор, пока не возникло само представление о химической энергии. В 1845 Р.Майер пришел к выводу, что при фотосинтезе световая энергия переходит в химическую потенциальную энергию, запасаемую в его продуктах.

Рис. 3

ФОТОСИНТЕЗ - это процесс, от которого зависит вся жизнь на Земле. Он происходит только в растениях. В ходе фотосинтеза растение вырабатывает из неорганических веществ необходимые для всего живого органические вещества. Диоксид углерода, содержащийся в воздухе, проникает в лист через особые отверстия в эпидермисе листа, которые называют устьицами; вода и минеральные вещества поступают из почвы в корни и отсюда транспортируются к листьям по проводящей системе растения. Энергию, необходимую для синтеза органических веществ из неорганических, поставляет Солнце; эта энергия поглощается пигментами растений, главным образом хлорофиллом. В клетке синтез органических веществ протекает в хлоропластах, которые содержат хлорофилл. Свободный кислород, также образующийся в процессе фотосинтеза, выделяется в атмосферу.

Рис.4 Схема фотосинтеза

В ходе световой стадии фотосинтеза образуются высокоэнергетические продукты: АТФ, служащий в клетке источником энергии, и НАДФН, использующийся как восстановитель. В качестве побочного продукта выделяется кислород. В общем роль световых реакций фотосинтеза заключается в том, что в световую фазу синтезируются молекула АТФ и молекулы-переносчики протонов, то есть НАДФ Н2.

Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания <#"791561.files/image006.gif"> - мужcкая особь;

 - женская особь.

Возвратное скрещивание - скрещивание потомков с одним из родителей. Иногда оно может оказаться также анализирующим

Механизм наследственности

Клетки, через которые осуществляется преемственность поколений, - специализированные половые при половом размножении и неспециализированный (соматические) клетки тела при бесполом несут в себе не сами признаки и свойства будущих организмов, а только задатки их развития. Эти задатки и являются генами. Ген - это участок молекулы ДНК (или участок хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров 4 типов - нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из 4 азотистых оснований. Сочетание трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК составляют генетический код. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Ген представляет собой группу рядом лежащих нуклеотидов, которыми закодирован один белок, определяющий один признак. Число генов очень велико: у человека их десятки тысяч. Один и тот же ген может оказывать влияние на развитие ряда признаков, так же, как и на формирование одного признака могут оказывать влияние несколько генов.

Каждому виду растений и животных свойствен свой количественный набор хромосом. У всех организмов одного и того же вида каждый ген расположен в одном и том же месте строго определенной хромосомы. Каждая клетка Человеческого тела содержит 46 хромосом. Почти все хромосомы в наборе представлены парами, в каждую из 22-х пар входят одинаковые по величине идентичные хромосомы, а 23-я пара является половыми хромосомами: у женщин она состоит из одинаковых хромосом XX, а у мужчин - XY. В галоидном наборе хромосом имеется только один ген, ответственный за развитие данного признака. В галоидном наборе хромосом (в соматических клетках) содержатся две гомологичные хромосомы и соответственно два гена, определяющие развитие одного какого-то признака.

Генетическая информация закодирована в последовательности азотистых оснований, содержащихся в молекуле ДНК. Азотистые основания можно рассматривать и качестве «букв» генетического алфавита. Последовательное и. оснований образует «слова».

Гены - это своего рода «предложения», записанные на генетическом языке Соответственно генетическое содержимое организма представляет собой как бы «книгу», составленную из генетических предложений. В отличие от строго определенного расположения азотистых оснований в двух комплементарных частях, нет никаких ограничений относительно того, в каком порядке должны следовать основания друг за другом вдоль одной цепи. Благодаря этому существует практически неограниченное число различных молекул ДНК. Число возможных генетических сообщений, кодируемых достаточно длинными цепями ДНК, практически не ограничено. За воспроизведение в поколениях растений, животных и человека наследственных свойств ответственны 3 эволюционно закрепленных универсальных процесса:

- размножение обычных (соматических) клеток - митоз - простое деление, перед которым количество хромосом в клетке удваивается путем самовоспроизведения;

размножение половых клеток - мейоз;

оплодотворение.

Гены управляют развитием и обменом веществ организма. Наследственная передача признаков от родителей потомству - консервативный процесс, но эта консервативность не является абсолютной, так как иначе была бы невозможна эволюция. Информация, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК, обычно в точности воспроизводится в процессе репликации.

Каждый новорожденный несет в себе комплекс генов не только своих родителей, но и отдаленных предков, т.е. свой, только ему присущий богатейший наследственный фонд или наследственно предопределенную биологическую программу, благодаря которой и возникают его индивидуальные качества. Эта программа закономерно и гармонично претворяется в жизнь, если:

- в основе биологических процессов лежат достаточно качественные наследственные факторы;

- внешняя среда обеспечивает растущий организм всем необходимым для реализации наследственного начала.

Приобретенные в жизни навыки и свойства не передаются по наследству, однако каждый родившейся ребенок обладает громадным арсеналом задатков, развитие которых зависит от:

- условий воспитания и обучения;

- социальной структуры общества,

- забот и усилий родителей;

желаний самого ребенка.

Внешней средой для ребенка являются прежде всего те условия, которые создадут его родители или окружающие его люди, различные климатические, геофизические и другие факторы, воздействие которых может существенно изменить характер наследственной информации. И она может реализоваться частично или полностью.

Формы изменчивости

Как уже отмечалось, весь комплекс наследственных свойств организма называется генотипом, а комплекс признаков, сформировавшихся во время взаимодействия генотипа и факторов внешней среды, - фенотипом. В соответствии с этим в генетике различают наследственную и ненаследственную изменчивость. Ненаследственная связана с изменением фенотипа, наследственная генотипа. Генотипическая изменчивость затрагивает генотип и подразделяется На несколько групп.

Рассмотрим две из них:

- мутационную;

комбинативиую.

Мутацией называется изменение структуры или количества ДНК данного организма. Мутации приводят к изменениям генотипа. Если мутации затрагивают половые клетки, то они передаются следующим поколениям, а если мутации возникают в соматических клетках, то они не передаются следующим поколениям. Генные мутации затрагивают структуру самого гена: изменяются различные по длине участки ДНК. Большинство мутаций, с которыми связана эволюция органического мира и селекция,- генная мутация.

В особую группу можно выделить ряд процессов, приводящих к возникновению комбинативной изменчивости.

Она включает:

- случайное расхождение хромосом;

случайное сочетание хромосом при оплодотворении;

рекомбинацию генов.

Обычно сами наследственные гены при этом не изменяются, но новые их сочетания между собой приводят к появлению организмов с новым фенотипом.

Мутации

Главнейшая особенность природных популяций, как показали эксперименты, - это генетическая гетерогенность (разнородность). Она поддерживается за счет мутаций и процесса рекомбинаций. Генетическая гетерогенность позволяет популяции использовать для приспособления не только вновь возникающие наследственные изменения, но и те, которые возникли очень давно и существуют в популяции в скрытом виде.

Любые мутации имеют неопределенный, случайный характер по отношению к вызывающим их изменениям внешней среды. Наибольшие шансы на выживание имеют мутации малого масштаба, не нарушающие существенно интеграции целостного организма и не производящие значительных изменений в фенотипе. Крупные мутации почти всегда имеют летальный исход. В результате сколько-нибудь существенные эволюционные преобразования организмов не могут быть достигнуты посредством одной мутации, а достигаются серией малых мутаций. Таким образом, нелетальные и не снижающие значительно жизнедеятельность организма мутации входят в состав генофонда. Мутации позволяют выживать виду при значительных изменениях окружающей среды, когда необходима перестройка нормы реакции. Мутации - это элементарный мутационный материал.

Если численность какой-нибудь популяции резко идет на убыль, а затем следует новый подъем численности, то при этом некоторые ранее присутствовавшие в малых концентрациях мутации могут совершенно исчезнуть из популяции, а концентрация других может существенно повыситься. Это явление называется дрейф генов.

Темп возникновения мутаций у различных организмов различен. Темп мутаций у бактерий и других микроорганизмов обычно ниже, чем у многоклеточных. Новые мутации, хотя и довольно редко, но постоянно появляются в природе, так как существует множество особей каждого вида.

Воздействие извне радиоактивными, ультрафиолетовыми лучами, а также химическими веществами может значительно изменить «запись» наследственной информации; Происходит нарушение генетического кода и имеете нормального развития живого организма, предначертанного природой, наступает отступление от нормы - мутация. Количество мутаций среди животных чрезвычайно велико в связи с радиационно-химическим заражением окружающей среды. Необычайно велика, полна появления животных-чудовищ после аварии на Чернобыльской АЭС. Сегодня наука разгадала причины появления мутантов, но повлиять на управление этим процессом, чтобы предотвратить его, не в силах. Более тою, современная наука, техника, производство создают все новые условия для ускорения процесса мутации. И если не остановить рост радиационно-химического загрязнения среды, последующее влияние его на будущее скажется на многих поколениях.

Становление генетической памяти резко интенсифицировало весь процесс эволюции. Это принципы самоорганизации материи, и особую роль здесь играет развитие центральной нервной системы (ЦНС). Благодаря споим функциям, ЦНС способна не только определять свое отношение к гомеостазу, но и компенсировать нежелательные отклонения от нормы.

Полученная информация принимается и оценивается. Именно принятие решения ответственно за образование обратных связей. В процессе эволюции живые организмы обеспечивают собственную стабильность и дальнейшее развитие с помощью механизма обратных связей. Носителями обратных связей являются все управляющие системы живого существа и в первую очередь нервная и гормональная системы. По мере эволюции и усложнения ЦНС превратилась в систему, содержащую блоки переработки информации, систему выработки команд исполнительными органами.

По мере совершенствования организма и появления зачатков интеллекта на ЦНС возлагается ответственность за совершенствование механизмов использования внешней материи и энергии.

С развитием нервной системы постепенно возник мозг, но мозг и интеллект - не синонимы. Появление интеллекта - еще один важнейший этап развития нервной системы. Это начало нового периода саморазвития материи, в котором материя начинает познавать себя. Самое главное в интеллекте - это способность к отвлеченному мышлению, абстрагированию, благодаря которому и возникают самосознание и рефлексия. Появление на Земле человека означает, что Природа начала с его помощью познавать себя, возникло сознание.