Биология – предмет, который раскрывает основные закономерности жизненных явлений. Реферат: Общая биология 1 общая биология изучает

Текущая страница: 1 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 18 страниц]

А. А. Каменский, Е. А. Криксунов, В. В. Пасечник
Биология. Общая биология. 10–11 классы

Введение

Вы начинаете изучение школьного курса «Общая биология». Это условное название части школьного курса биологии, задача которого – изучение общих свойств живого, законов его существования и развития. Отражая живую природу и человека как ее часть, биология приобретает все большее значение в научно-техническом прогрессе, становясь производительной силой. Биология создает новую технологию – биологическую, которая должна стать основой нового индустриального общества. Биологические знания должны способствовать формированию биологического мышления и экологической культуры у каждого члена общества, без чего дальнейшее развитие человеческой цивилизации невозможно.

§ 1. Краткая история развития биологии

1. Что изучает биология?

2. Какие биологические науки вам известны?

3. Каких ученых-биологов вы знаете?

Биология как наука. Вы хорошо знаете, что биология – это наука о жизни. В настоящее время она представляет совокупность наук о живой природе. Биология изучает все проявления жизни: строение, функции, развитие и происхождение живых организмов, их взаимоотношения в природных сообществах со средой обитания и с другими живыми организмами.

С тех пор как человек стал осознавать свое отличие от животного мира, он начал изучать окружающий его мир. Сначала от этого зависела его жизнь. Первобытным людям необходимо было знать, какие живые организмы можно употреблять в пищу, использовать в качестве лекарств, для изготовления одежды и жилищ, а какие из них ядовиты или опасны.

С развитием цивилизации человек смог позволить себе такую роскошь, как занятие наукой в познавательных целях.

Исследования культуры древних народов показали, что они имели обширные знания о растениях, животных и широко их применяли в повседневной жизни.

Современная биология – комплексная наука, для которой характерно взаимопроникновение идей и методов различных биологических дисциплин, а также других наук – прежде всего физики, химии и математики.

Основные направления развития современной биологии. В настоящее время условно можно выделить три направления в биологии.

Во-первых, это классическая биология. Ее представляют ученые-натуралисты, изучающие многообразие живой природы. Они объективно наблюдают и анализируют все, что происходит в живой природе, изучают живые организмы и классифицируют их. Неправильно думать, что в классической биологии все открытия уже сделаны. Во второй половине XX в. не только описано много новых видов, но и открыты крупные таксоны, вплоть до царств (Погонофоры) и даже надцарств (Архебактерии, или Археи). Эти открытия заставили ученых по-новому взглянуть на всю историю развития живой природы. Для настоящих ученых-натуралистов природа – это самоценность. Каждый уголок нашей планеты для них уникален. Именно поэтому они всегда среди тех, кто остро чувствует опасность для окружающей нас природы и активно выступает в ее защиту.

Второе направление – это эволюционная биология. В XIX в. автор теории естественного отбора Чарлз Дарвин начинал как обычный натуралист: он коллекционировал, наблюдал, описывал, путешествовал, раскрывая тайны живой природы. Однако основным результатом его работы, сделавшим его известным ученым, стала теория, объясняющая органическое разнообразие.

В настоящее время изучение эволюции живых организмов активно продолжается. Синтез генетики и эволюционной теории привел к созданию так называемой синтетической теории эволюции. Но и сейчас еще есть много нерешенных вопросов, ответы на которые ищут ученые-эволюционисты.

Созданная в начале XX в. нашим выдающимся биологом Александром Ивановичем Опариным первая научная теория происхождения жизни была чисто теоретической. В настоящее время активно ведутся экспериментальные исследования данной проблемы и благодаря применению передовых физико-химических методов уже сделаны важные открытия и можно ожидать новых интересных результатов.

Чарлз Дарвин (1809–1882)

Александр Иванович Опарин (1894–1980)

Новые открытия позволили дополнить теорию антропогенеза. Но переход от животного мира к человеку и сейчас еще остается одной из самых больших загадок биологии.

Третье направление – физико-химическая биология, исследующая строение живых объектов при помощи современных физических и химических методов. Это быстро развивающееся направление биологии, важное как в теоретическом, так и в практическом отношении. Можно с уверенностью говорить, что в физико-химической биологии нас ждут новые открытия, которые позволят решить многие проблемы, стоящие перед человечеством.

Развитие биологии как науки. Современная биология уходит корнями в древность и связана с развитием цивилизации в странах Средиземноморья. Нам известны имена многих выдающихся ученых, внесших вклад в развитие биологии. Назовем лишь некоторых из них.

Гиппократ (460 – ок. 370 до н. э.) дал первое относительно подробное описание строения человека и животных, указал на роль среды и наследственности в возникновении болезней. Его считают основоположником медицины.

Аристотель (384–322 до н. э.) делил окружающий мир на четыре царства: неодушевленный мир земли, воды и воздуха; мир растений; мир животных и мир человека. Он описал многих животных, положил начало систематике. В написанных им четырех биологических трактатах содержались практически все известные к тому времени сведения о животных. Заслуги Аристотеля настолько велики, что его считают основоположником зоологии.

Теофраст (372–287 до н. э.) изучал растения. Им описано более 500 видов растений, даны сведения о строении и размножении многих из них, введены в употребление многие ботанические термины. Его считают основоположником ботаники.

Гай Плиний Старший (23–79) собрал известные к тому времени сведения о живых организмах и написал 37 томов энциклопедии «Естественная история». Почти до средневековья эта энциклопедия была главным источником знаний о природе.

Клавдий Гален в своих научных исследованиях широко использовал вскрытия млекопитающих. Он первым сделал сравнительно-анатомическое описание человека и обезьяны. Изучал центральную и периферическую нервную систему. Историки науки считают его последним великим биологом древности.

В средние века господствующей идеологией была религия. Подобно другим наукам, биология в этот период еще не выделилась в самостоятельную область и существовала в общем русле религиозно-философских взглядов. И хотя накопление знаний о живых организмах продолжалось, о биологии как науке в тот период можно говорить лишь условно.

Эпоха Возрождения является переходной от культуры средних веков к культуре нового времени. Коренные социально-экономические преобразования того времени сопровождались новыми открытиями в науке.

Самый известный ученый этой эпохи Леонардо да Винчи (1452–1519) внес определенный вклад и в развитие биологии.

Он изучал полет птиц, описал многие растения, способы соединения костей в суставах, деятельность сердца и зрительную функцию глаза, сходство костей человека и животных.

Во второй половине XV в. естественнонаучные знания начинают быстро развиваться. Этому способствовали географические открытия, позволившие существенно расширить сведения о животных и растениях. Быстрое накопление научных знаний о живых организмах вело к разделению биологии на отдельные науки.

В XVI–XVII вв. стали стремительно развиваться ботаника и зоология.

Изобретение микроскопа (начало XVII в.) позволило изучать микроскопическое строение растений и животных. Были открыты невидимые для невооруженного глаза микроскопически малые живые организмы – бактерии и простейшие.

Большой вклад в развитие биологии внес Карл Линней, предложивший систему классификации животных и растений.

Карл Максимович Бэр (1792–1876) в своих работах сформулировал основные положения теории гомологичных органов и закона зародышевого сходства, заложившие научные основы эмбриологии.

Клавдий Гален (ок. 130 – ок. 200)

Карл Линней (1707–1778)

В 1808 г. в работе «Философия зоологии» Жан Батист Ламарк поставил вопрос о причинах и механизмах эволюционных преобразований и изложил первую по времени теорию эволюции.

Огромную роль в развитии биологии сыграла клеточная теория, которая научно подтвердила единство живого мира и послужила одной из предпосылок возникновения теории эволюции Чарлза Дарвина. Авторами клеточной теории считают зоолога Теодора Шванна (1818–1882) и ботаника Маттиаса Якоба Шлейдена (1804–1881).

На основе многочисленных наблюдений Ч. Дарвин опубликовал в 1859 г. свой основной труд «О происхождении видов путем естественного отбора или Сохранении благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь», в котором сформулировал основные положения теории эволюции, предложил механизмы эволюции и пути эволюционных преобразований организмов.

В XIX в. благодаря работам Луи Пастера (1822–1895), Роберта Коха (1843–1910), Ильи Ильича Мечникова в качестве самостоятельной науки оформилась микробиология.

XX век начался с переоткрытия законов Грегора Менделя, что ознаменовало собой начало развития генетики как науки.

В 40–50-е годы XX в. в биологии стали широко использоваться идеи и методы физики, химии, математики, кибернетики и других наук, а в качестве объектов исследования – микроорганизмы. В результате возникли и стали бурно развиваться как самостоятельные науки биофизика, биохимия, молекулярная биология, радиационная биология, бионика и др. Исследования в космосе способствовали зарождению и развитию космической биологии.

Жан Батист Ламарк (1774–1829)

Илья Ильич Мечников (1845–1916)

В XX в. появилось направление прикладных исследований – биотехнология. Это направление, несомненно, будет стремительно развиваться и в XXI в. Более подробно об этом направлении развития биологии вы узнаете при изучении главы «Основы селекции и биотехнологии».

В настоящее время биологические знания используются во всех сферах человеческой деятельности: в промышленности и сельском хозяйстве, медицине и энергетике.

Чрезвычайно важное значение имеют экологические исследования. Мы, наконец, стали осознавать, что хрупкое равновесие, существующее на нашей маленькой планете, легко разрушить. Перед человечеством встала грандиозная задача – сохранение биосферы с целью поддержания условий существования и развития цивилизации. Без биологических знаний и специальных исследований решить ее невозможно. Таким образом, в настоящее время биология стала реальной производительной силой и рациональной научной основой отношений между человеком и природой.

Грегор Мендель (1822–1884)

Классическая биология. Эволюционная биология. Физико-химическая биология.

1. Какие направления в развитии биологии вы можете выделить?

2. Какие великие ученые древности внесли заметный вклад в развитие биологических знаний?

3. Почему в средние века о биологии как науке можно было говорить лишь условно?

4. Почему современную биологию считают комплексной наукой?

5. Какова роль биологии в современном обществе?

Подготовьте сообщение на одну из следующих тем:

1. Роль биологии в современном обществе.

2. Роль биологии в космических исследованиях.

3. Роль биологических исследований в современной медицине.

4. Роль выдающихся биологов – наших соотечественников в развитии мировой биологии.

Насколько изменились взгляды ученых на разнообразие живого, можно продемонстрировать на примере разделения живых организмов на царства.

Еще в 40-е годы XX столетия все живые организмы делились на два царства: Растения и Животные. В царство растений включались также бактерии и грибы. Позднее более детальное изучение организмов привело к выделению четырех царств: Прокариоты (Бактерии), Грибы, Растения и Животные. Данная система приводится в школьной биологии.

В 1959 г. было предложено делить мир живых организмов на пять царств: Прокариоты, Протисты (Простейшие), Грибы, Растения и Животные.

Данная система часто приводится в биологической (особенно переводной) литературе.

Разработаны и продолжают разрабатываться и другие системы, включающие 20 и более царств. Например, предложено выделить три надцарства: Прокариоты, Археи (Архебактерии) и Эукариоты. Каждое надцарство включает несколько царств.

§ 2. Методы исследования в биологии

1. Чем наука отличается от религии и искусства?

2. Какова основная цель науки?

3. Какие методы исследования, применяемые в биологии, вы знаете?

Наука как сфера человеческой деятельности. Наука – одна из сфер человеческой деятельности, цель которой – изучение и познание окружающего мира. Для научного познания необходим выбор определенных объектов исследования, проблем и методов их изучения. Каждая наука имеет свои методы исследования. Однако независимо от того, какие методы используются, для каждого ученого важнейшим всегда остается принцип «Ничего не принимай на веру». Главная задача науки – построение системы достоверного знания, основанного на фактах и обобщениях, которые можно подтвердить или опровергнуть. Научные знания постоянно берутся под сомнение и принимаются лишь при достаточных доказательствах. Научным фактом (греч. factum – сделанное) является лишь тот, который можно воспроизвести и подтвердить.

Научный метод (греч. methodos – путь исследования) – это совокупность приемов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Вся история развития биологии наглядно свидетельствует о том, что она определялась разработкой и применением новых методов исследования. Основными методами исследования, применяемыми в биологических науках, являются описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный.

Описательный метод. Он широко применялся еще учеными древности, занимавшимися сбором фактического материала и его описанием. В основе его лежит наблюдение. Практически до XVIII в. биологи в основном занимались описанием животных и растений, делали попытки первичной систематизации накопленного материала. Но описательный метод не потерял своего значения и сегодня. Например, он используется при открытии новых видов или изучении клеток с помощью современных методов исследования.

Сравнительный метод. Он позволил выявлять сходства и различия между организмами и их частями и стал применяться в XVII в. Использование сравнительного метода позволило получить данные, необходимые для систематизации растений и животных. В XIX в. он был использован при разработке клеточной теории и обосновании теории эволюции, а также в перестройке ряда биологических наук на основе этой теории. В наше время сравнительный метод также широко применяется в различных биологических науках. Однако если бы в биологии использовались лишь описательный и сравнительный методы, то она так и осталась бы в рамках констатирующей науки.

Исторический метод. Этот метод помогает осмыслить полученные факты, сопоставить их с ранее известными результатами. Он стал широко применяться во второй половине XIX в. благодаря работам Ч. Дарвина, который с его помощью научно обосновал закономерности появления и развития организмов, становления их структур и функций во времени и пространстве. Применение исторического метода позволило превратить биологию из науки описательной в науку, объясняющую, как произошли и как функционируют многообразные живые системы.

Экспериментальный метод. Применение экспериментального метода в биологии связывают с именем Уильяма Гарвея, который использовал его в своих исследованиях при изучении кровообращения. Но широко применяться в биологии он начал лишь с начала XIX в., прежде всего при изучении физиологических процессов. Экспериментальный метод позволяет изучать то или иное явление жизни с помощью опыта.

Большой вклад в утверждение экспериментального метода в биологии внес Г. Мендель, который, изучая наследственность и изменчивость организмов, впервые использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основании получаемых результатов. Работа Г. Менделя стала классическим образцом методологии экспериментальной науки.

Уильям Гарвей (1578–1657)

В XX в. экспериментальный метод стал ведущим в биологии. Это стало возможным благодаря появлению новых приборов для биологических исследований (электронный микроскоп, томограф и др.) и использованию методов физики и химии в биологии.

В настоящее время в биологическом эксперименте широко используют различные виды микроскопии, включая и электронную с техникой ультратонких срезов, биохимические методы, разнообразные способы культивирования и прижизненного наблюдения культур клеток, тканей и органов, метод меченых атомов, рентгеноструктурный анализ, ультрацентрифугирование, хроматографию и т. д. Не случайно во второй половине XX в. в биологии развилось целое направление – создание новейших приборов и разработка методов исследования.

В биологических исследованиях все шире применяют моделирование, которое считают высшей формой эксперимента. Так, ведутся активные работы по компьютерному моделированию важнейших биологических процессов, основных направлений эволюции, развития экосистем или даже всей биосферы (например, в случае глобальных климатических или техногенных изменений).

Экспериментальный метод в сочетании с системно-структурным подходом коренным образом преобразил биологию, расширил ее познавательные возможности и открыл новые пути для использования биологических знаний во всех сферах человеческой деятельности.

Научный факт. Научный метод. Методы исследования: описательный, сравнительный, исторический, экспериментальный.

1. В чем заключаются основная цель и задача науки?

2. Почему можно утверждать, что развитие биологии определялось разработкой и применением новых научных методов исследования?

3. Какое значение имели описательный и сравнительный методы для развития биологии?

4. В чем сущность исторического метода?

5. Почему экспериментальный метод получил наибольшее распространение в XX в.?

Предложите методы исследования, которые вы будете применять при изучении антропогенного воздействия на какую-либо экосистему (водоем, лес, парк и т. д.).

Предложите несколько своих вариантов путей развития биологии в XXI веке.

Какие болезни, по вашему мнению, будут побеждены человечеством при помощи методов молекулярной биологии, иммунологии, генетики в первую очередь.

Научное исследование, как правило, состоит из нескольких этапов (рис. 1). На основании сбора фактов формулируется проблема. Для ее решения выдвигаются гипотезы (греч. hypothesis – предположение). Каждая гипотеза проверяется экспериментально в ходе получения новых фактов. Если полученные факты противоречат гипотезе, то она отвергается. Если гипотеза согласуется с фактами и позволяет делать верные прогнозы, то она может стать теорией (греч. theoria – исследование). Однако даже верная теория по мере накопления новых фактов может пересматриваться и уточняться. Наглядным примером служит теория эволюции.

Некоторые теории заключаются в установлении связи между различными явлениями. Это правила и законы.

Из правил возможны исключения, а законы действуют всегда. Например, закон сохранения энергии справедлив как для живой, так и неживой природы.

Рис. 1. Основные этапы научного исследования

§ 3. Сущность жизни и свойства живого

1. Что такое жизнь?

2. Что считают структурно-функциональной единицей живого?

3. Какие свойства живого вам известны?

Сущность жизни. Вы уже знаете, что биология – это наука о жизни. Но что такое жизнь?

Классическое определение немецкого философа Фридриха Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» – отражает уровень биологических знаний второй половины XIX в.

В XX в. делались многочисленные попытки дать определение жизни, отражающие всю многогранность данного процесса.

Все определения содержали следующие постулаты, отражающие сущность жизни:

– жизнь есть особая форма движения материи;

– жизнь есть обмен веществ и энергии в организме;

– жизнь есть жизнедеятельность в организме;

– жизнь есть самовоспроизведение организмов, которое обеспечивается передачей генетической информации от поколения к поколению.

Жизнь представляет собой форму движения материи высшую по сравнению с физической и химической формами ее существования.

В самом общем смысле жизнь можно определить как активное, идущее с затратой энергии, полученной извне, поддержание и самовоспроизведение специфических структур, состоящих из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот.

Ни нуклеиновые кислоты, ни белки в отдельности не являются субстратом жизни. Они становятся субстратом жизни лишь тогда, когда находятся и функционируют в клетках. Вне клеток – это химические соединения.

По определению отечественного биолога В. М. Волькенштейна, «живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».

Свойства живого. Для живого характерен ряд общих свойств. Перечислим их.

1. Единство химического состава. Живые существа образованы теми же химическими элементами, что и неживые объекты, но в живых существах 90 % массы приходится на четыре элемента: С, О, N, Н, которые участвуют в образовании сложных органических молекул, таких, как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.

2. Единство структурной организации. Клетка является единой структурно-функциональной единицей, а также единицей развития почти для всех живых организмов на Земле. Исключением являются вирусы, но и у них свойства живого проявляются, лишь когда они находятся в клетке. Вне клетки жизни нет.

3. Открытость. Все живые организмы представляют собой открытые системы, т. е. системы, устойчивые лишь при условии непрерывного поступления в них энергии и вещества из окружающей среды.

4. Обмен веществ и энергии. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой. Обмен веществ осуществляется в результате двух взаимосвязанных процессов: синтеза органических веществ в организме (за счет внешних источников энергии – света и пищи) и процесса распада сложных органических веществ с выделением энергии, которая затем расходуется организмом.

Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

5. Самовоспроизведение (репродукция ). Способность к самовоспроизведению является важнейшим свойством всех живых организмов. В ее основе лежит информация о строении и функциях любого живого организма, заложенная в нуклеиновых кислотах и обеспечивающая специфичность структуры и жизнедеятельности живого.

6. Саморегуляция. Любой живой организм подвергается воздействию непрерывно меняющихся условий окружающей среды. В то же время для протекания процессов жизнедеятельности в клетках необходимы определенные условия. Благодаря механизмам саморегуляции сохраняется относительное постоянство внутренней среды организма, т. е. поддерживается постоянство химического состава и интенсивность течения физиологических процессов (иными словами, поддерживается гомеостаз: от греч. homoios – одинаковый и stasis – состояние).

7. Развитие и рост. В процессе индивидуального развития (онтогенеза) постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма и осуществляется его рост. Кроме того, все живые системы эволюционируют – изменяются в ходе исторического развития (филогенеза).

8. Раздражимость. Любой живой организм способен избирательно реагировать на внешние и внутренние воздействия.

9. Наследственность и изменчивость. Преемственность поколений обеспечивается наследственностью. Потомки не являются копиями своих родителей из-за способности наследственной информации к изменениям – изменчивости.

Отдельные свойства, перечисленные выше, могут быть присущи и неживой природе. Например, кристаллы в насыщенном растворе соли могут «расти». Однако этот рост не имеет тех качественных и количественных параметров, которые присущи росту живого.

Для горящей свечи тоже характерны процессы обмена веществ и превращения энергии, но она не способна к саморегуляции и самовоспроизведению.

Следовательно, все перечисленные выше свойства в своей совокупности характерны только для живых организмов.

Жизнь. Открытая система.

1. Почему очень сложно дать определение понятия «жизнь»?

2. В чем отличие химической организации живых организмов от объектов неживой природы?

3. Почему живые организмы называются открытыми системами?

4. Чем принципиально отличаются процессы обмена у живых организмов и в неживой природе?

5. Какова роль изменчивости и наследственности в развитии жизни на нашей планете?

Сравните сущность процессов роста, размножения и обмена веществ в неживой природе и у живых организмов.

Приведите примеры свойств, характерных для живого организма, которые можно наблюдать и у неживых объектов.

Организм (лат. organizo – устраиваю) – это особь, индивид (лат. individuus – неделимый), самостоятельно взаимодействующий со средой своего обитания. Термин «организм» легко понять, но почти невозможно однозначно определить. Организм может состоять из одной клетки и может быть многоклеточным. Разные колониальные организмы могут состоять из однородных организмов, например вольвокс, или представлять собой комплекс высокодифференцированных особей, составляющих единое целое, например португальский кораблик – колониальное кишечнополостное животное. Иногда даже отделенные друг от друга особи образуют группы, отличающиеся определенными индивидуальными свойствами: например, у пчел, как и у других социальных насекомых, семья имеет ряд свойств организма.

Наука о закономерностях, единых для всего живого. Она изучает общие законы жизни и те особенности, которые характерны для всех видов живых существ независимо от их систематического положения. Чем отличается живое от неживого, каковы основные и общие для всех организмов закономерности жизненных явлений - ответ на эти вопросы составляет задачу общей биологии.

Обмен веществ и энергии между организмом и средой, способность к размножению, наследственность и изменчивость - неотъемлемые свойства всех организмов. Эти свойства - основа эволюции - необратимого исторического развития живой природы, которое сопровождается приспособлением организмов к условиям существования, образованием и вымиранием видов, преобразованием биогеоценозов и биосферы в целом. В результате эволюции возник многообразный мир живых существ.

Различают несколько структурно-функциональных уровней организации жизни (живой материи). Нижний, наиболее древний - суборганизменный. Это уровень молекулярных структур, где проходит граница между живым и неживым. Следующий уровень - клеточный. Клетка, ее структуры и основные биохимические процессы сходны у всех организмов. За ним следует уровень целостного организма. Неотъемлемые свойства всех организмов - способность к размножению, наследственность и изменчивость. Более сложный уровень организации жизни - популяционно-видовой. Высший уровень - экосистемный, биосферно-биогеоценотический, на котором сообщества популяций животных и растений вместе с их средой обитания образуют функционально-структурное единство. Целостность экосистем (биогеоценозов, биосферы) обусловлена обменом веществ и энергии между ее компонентами.

Общая биология изучает законы, характерные для всех уровней организации жизни. Значение этой дисциплины исключительно велико как в формировании материалистического мировоззрения, так и в ряде жизненно важных областей человеческой деятельности. Она приобретает все возрастающее практическое значение для сельского хозяйства, лесной и рыбной промышленности, биотехнологии, медицины, для рационального использования естественных ресурсов и охраны природы.

Биология служит теоретической базой сельскохозяйственного производства. Многие ее разделы непосредственно связаны с растениеводством и животноводством. Обеспечение все увеличивающегося населения земного шара продовольствием невозможно без создания новых высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур и продуктивных пород домашних животных. Достичь этого можно лишь зная законы наследственности и изменчивости. Благодаря открытиям в молекулярной биологии развивается биотехнология - производство ферментов, гормонов, кормовых белков, аминокислот с помощью микроорганизмов. Повышение плодородия земель, создание условий для получения устойчивых программированных урожаев - эти экологические задачи должны решать агрономы-биологи.

Биология изучает биологическую форму движения материи, т. е. совокупность организмов, живущих на , в том числе человека. Из-за огромного разнообразия представителей живого на Земле биология представляет собой комплекс различных биологических наук и включает ботанику, микологию (науку о грибах), зоологию, комплекс наук о человеке как биологическом объекте, общую биологию и другие науки. Ниже рассмотрены общие представления о биологии и ее составляющих.

Биология - комплекс наук, изучающих все живое вещество и организмы, им образуемые.

Какие науки включает в себя биология:

Ботаника - наука, изучающая биологические особенности растений. Совокупность всех растений на Земле называют флорой Земли. Традиционно вместе с растениями в курсе ботаники изучают грибы, вирусы, которые в строгом смысле не относятся к растениям, а принадлежат к другим царствам организмов. Так, грибы образуют особое царство Грибы, а наука о грибах называется микологией.

Зоология - наука, изучающая царство Животные.

Совокупность всех животных, населяющих Землю, называют фауной Земли. Принято говорить о фауне той или иной области, того или иного региона и т. д.

Биологические особенности человека изучает целый комплекс наук: анатомия, гигиена человека (несмотря на то что человек является структурной единицей царства Животные, он относится к , отряду приматов, семейству человекообразных обезьян, роду человек, виду человек разумный).

Общая биология - особый раздел биологии, изучающий наиболее общие закономерности биологической формы существования материи.

На современном этапе развития биологии общая биология представляет собой комплекс наук, состоящий из отдельных, достаточно самостоятельных, но тесно взаимосвязанных наук: молекулярной биологии, цитологии, теории развития и размножения, генетики, селекции, эволюционной теории, экологии. В предмете Общая биология эти науки представлены в виде разделов, которыми в курсе Общая биология с основами экологии и природоохранной деятельности являются следующие:

1. Цитология - раздел, изучающий клетку, ее химический состав, биохимические процессы, протекающие в клетке, строение и функции отдельных органоидов клетки.

2. Учение об индивидуальном развитии - онтогенезе - раздел, включающий учение о размножении и развитии организмов (тесно связан с цитологией).

3. Генетика с основами селекции - раздел, рассматривающий закономерности наследственности, изменчивости, их материальные носители (генетика), принципы и методы выведения новых пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов (селекция); теоретической основой селекции является генетика.

4. Эволюционное учение (теория) - раздел, изучающий филогенез (историческое развитие видов); составной частью этого учения является дарвинизм; основой данного учения (теории) - генетика, селекция и другие биологические науки.

5. Экология с основами природоохранной деятельности - раздел, рассматривающий вопросы взаимосвязи организмов друг с другом, средой обитания, а также воздействие человека на Природу и пути преодоления негативных последствий этого воздействия.

Общая биология тесно взаимосвязана с комплексом медицинских и сельскохозяйственных наук, являясь, с одной стороны, их базой, а с другой - эти науки дают богатый фактический материал для иллюстрации общебиологических закономерностей. Знание и понимание вопросов общей биологии невозможно без владения знаниями математики, химии, физики, геологии, астрономии, философии и других наук естественного и гуманитарного циклов. Так, без знания основ органической химии невозможно понять ни молекулярную биологию, ни проблемы обмена веществ, лежащих в основе экологии, ни вопросы цитологии. Все это делает необходимым глубокое усвоение знаний как общебиологического характера, так и знаний других и естественно-математических и гуманитарных наук.

Знания общебиологических понятий и закономерностей имеют огромное значение для каждого человека, поскольку они являются базой для понимания основных проблем экологии (как специальной отрасли знаний), без овладения которыми современный человек не сможет выжить в постоянно усложняющейся экологической обстановке на нашей планете.

Общая биология

Следует отметить, что по мнению ученых, в современной науке, результаты которой обычно публикуют в журналах с высоким импакт-фактором , такой науки как «Общая биология» (General Biology), аналогично «общей физике» , не существует. Однако в ведущих университетах читаются курсы для бакалавров первого года обучения, то есть «Общая биология» существует лишь как вводный в биологию учебный курс.

История

В 1802 году возникает термин биология. Г. Р. Тревиранус определяет биологию как науку о общих характеристиках у животных и растений, а также специальных предметных рубрик, которые изучали его предшественники, в частности К. Линней .

В 1832 году издается книга «Allgemeine Biologie der Pflanzen» («Общая биология растений») (Гpeйфcв., 1832), является переводом книги «Lärobok i botanik» Карла Агара .

Уже в 1883 году читаются курсы по общей биологии в университете Новой Зеландии .

Общую биологию как отдельный курс начали преподавать в первой половине XX века , что было связано с успехами в изучении клетки , микробиологическими исследованиями , открытиями генетики , словом - превращением биологии из вспомогательной, частной, описательной науки (зоология, ботаника, систематика) в самостоятельную и чрезвычайно востребованную область знаний.

В 1940 году академиком И. И. Шмальгаузеном основан «Журнал общей биологии» .

Видимо первой книгой (учебником) по общей биологии на русском языке была В. В. Маховко, П. В. Макаров, К. Ю. Кострюкова Общая биология Издательство: Государственное издательство медицинской литературы, 1950 г. 504 стр. .

Как учебная дисциплина общая биология преподаётся в старших классах средней школы с 1963 года, а в 1966 году была опубликована книга «Общая биология» под редакцией Ю.И.Полянского, используемая в качестве учебного пособия.

Основные разделы

Традиционно общая биология включает: цитологию , генетику , биологическую химию , молекулярную биологию , биотехнологию [нет в источнике ] , экологию , биологию развития , эволюционное учение , учение о биосфере и учение о человеке (биологический аспект) [нет в источнике ] .

Значение общей биологии

Связанные науки

Теоретическая биология

См. также

• Частная биология

Примечания

Литература

• Jane M. Oppenheimer, Reflections on Fifty Years of Publications on the History of General Biology and Special Embryology, Vol. 50, No. 4 (Dec., 1975), pp. 373-387
• Гродницкий Д. Л., Сравнительный анализ школьных учебников по Общей Биологии, 2003
• Основы общей биологии (Kompendium Der Allgemeinen Biologie, ГДР) Под общей редакцией Э.Либберта М.: Мир, 1982. 436 стр.

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Общая биология" в других словарях:

БИОЛОГИЯ - БИОЛОГИЯ. Содержание: I. История биологии.............. 424 Витализм и машинизм. Возникновение эмпирических наук в XVI XVIII вв. Возникновение и развитие эволюционной теории. Развитие физиологии в XIX в. Развитие клеточного учения. Итоги XIX века … Большая медицинская энциклопедия

- (греч., от bios жизнь, и logos слово). Наука о жизни и ее проявлениях у животных и растений. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. БИОЛОГИЯ греч., от bios, жизнь, и logos, слово. Учение о жизненной силе.… … Словарь иностранных слов русского языка

БИОЛОГИЯ - уч. предмет в школе; основы знаний о живой природе. Отражает совр. достижения наук, изучающих строение и жизнедеятельность биол. объектов всех уровней сложности (клетка, организм, популяция, биоценоз, биосфера). Шк. курс Б. включает разделы:… … Российская педагогическая энциклопедия

- (от Био... и...Логия совокупность наук о живой природе. Предмет изучения Б. все проявления жизни: строение и функции живых существ и их природных сообществ, их распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой… … Большая советская энциклопедия

- (теория систем) научная и методологическая концепция исследования объектов, представляющих собой системы. Она тесно связана с системным подходом и является конкретизацией его принципов и методов. Первый вариант общей теории систем был… … Википедия

I Биология (греч. bios жизнь + logos учение) совокупность естественных наук о жизни как особом явлении природы. Предметом изучения служат строение, функционирование, индивидуальное и историческое (эволюция) развитие организмов, взаимоотношения их … Медицинская энциклопедия

БИОЛОГИЯ - (от греч, bios жизнь и logos учение), совокупность наук о живой природе. Предмет изучения все проявления жизни: строение и функции живых организмов, их распространение, происхождение, развитие, связи друг с другом и с неживой природой. Термин… … Ветеринарный энциклопедический словарь

Биология - учебный предмет в школе; основы знаний о живой природе. Отражает современные достижения наук, изучающих строение и жизнедеятельность биологических объектов всех уровней сложности (клетка, организм, популяция, биоценоз, биосфера). Школьный… … Педагогический терминологический словарь

Биология общая - – часть биологии, изучающая и объясняющая общее, верное для всего многообразия организмов на Земле … Словарь терминов по физиологии сельскохозяйственных животных

У этого термина существуют и другие значения, см. Дисперсия. Дисперсия термин, обозначающий разнообразие признаков в популяции. Одна из количественных характеристик популяции. Для описания бесполой и гермафродитной популяции кроме дисперсий по… … Википедия

Книги

• Общая биология , В. М. Константинов , А. Г. Резанов , Е. О. Фадеева , Учебник посвящен общим вопросам современной биологии. В нем приведены основные сведения о структуре живой материи и общие законы ее функционирования. Изложены темы учебного курса:… Категория:

Что такое наука биология? Говоря простым языком, это изучение жизни во всем ее разнообразии и величии. От микроскопических водорослей и бактерий до больших слонов и гигантских синих китов, жизнь на нашей планете представляет невероятное многообразие. Беря это во внимание, откуда мы заем, что является живым? Каковы основные характеристики жизни? Все это очень важные вопросы с одинаково важными ответами!

Характеристики жизни

К живым существам относиться, как видимый , и , так и невидимый мир бактерий и вирусов. На базовом уровне мы можем сказать, что жизнь упорядочена. Организмы имеют чрезвычайно сложную организацию. Мы все знакомы с замысловатыми системами основной - клеткой.

Жизнь может «работать» . Имеется введу не ежедневное разнообразие работы, а поддержание метаболических процессов, путем получения энергии в виде пище из окружающей среды.

Жизнь растет и развивается . Это означает больше, чем просто копирование или увеличение размера. Живые организмы также имеют возможность восстанавливаться при определенных типах повреждений.

Жизнь может воспроизводиться . Вы когда-нибудь видели размножение грязи или камней? Вероятней всего нет! Жизнь способна происходить только от других живых существ.

Жизнь может реагировать . Вспомните о том, как в последний раз вы ударялись какой-нибудь частью своего тела. Почти мгновенно следует болевая реакция. Жизнь характеризуется реакцией на различные стимулы и внешние раздражители.

Наконец, жизнь может адаптироваться и отвечать требованиям, предъявляемым окружающей средой.

Существует три основных типа приспособлений, которые могут возникать у высших организмов:

• Обратимые изменения происходят как ответ на изменения в окружающей среде. Предположим, вы живете вблизи уровня моря и отправляетесь в горную местность. Вы можете начать испытывать затрудненное дыхание и увеличение частоты сердечных сокращений в результате изменения высоты. Эти симптомы исчезают, когда вы возвращаетесь к уровню моря.
• Соматические изменения происходят в результате продолжительных изменений в окружающей среде. Используя предыдущий пример, если вы долго будете оставаться в горной местности, вы заметите, что ваш сердечный ритм начнет замедляться, и вы начнете нормально дышать. Соматические изменения также обратимы.
• Окончательный тип адаптации называется генотипическим (вызванным генетической мутацией). Эти изменения происходят в генетическом составе организма и не обратимы. Примером может служить развитие устойчивости к пестицидам у насекомых и пауков.

Таким образом, жизнь организована, «работает», растет, размножается, реагирует на стимулы и приспосабливается. Эти характеристики лежат в основе изучения науки общей биологии.

Основные принципы современной биологии

Фундамент науки биологии, которая существует сегодня, основан на пяти основных принципах. Это теория клеток, теория генов, эволюция, гомеостаз и законы термодинамики.

• : все живые организмы состоят из клеток. является основной единицей жизни.
• : черты наследуются посредством передачи генов. расположены на и состоят из ДНК.
• : любое в популяции, которое унаследована в течение нескольких поколений. Эти изменения могут быть небольшими или большими, заметными или не столь заметными.
• : способность поддерживать постоянную внутреннюю среду в ответ на изменения окружающей среды.
• : энергия постоянна и энергетическое преобразование не является полностью эффективным.

Разделы биологии

Область науки биологии очень широка и может быть разделена на несколько дисциплин. В самом общем смысле эти дисциплины классифицируются по типу изучаемого организма. Например, занимается исследованиями животных, ботаника занимается изучением растений, а микробиология изучает микроорганизмы. Эти области исследований, также можно разбить на несколько специализированных поддисциплин. Некоторые из них включают анатомию, генетику и физиологию.

Клетка

В этом разделе необходимо дать определение понятию "клетка", от­метить, что она была открыта с помощью микроскопа, и совершенствова­ние микроскопической техники позволило выявить разнообразие их форм, сложность строения ядра, процесс деления клеток и др. Назвать другие ме­тоды исследования клетки: дифференцированное центрифугирование, элек­тронная микроскопия, авторадиография, фазово-контрастная микроско­пия, рентгеноструктурный анализ; показать, на чем были основаны эти ме­тоды, и что удалось выяснить с их помощью.

Основным структурным элементом всех живых организмов (растений и животных) является клетка. Отметить, кем впервые была сформулирована клеточная теория , знать ее положения. Основными компонентами клетки являются: наружная клеточная мембрана, цитоплазма и ядро.

В состав биологической мембраны входят липиды, составляющие основу мембраны и высокомолекулярные белки. Отметить полярность молекул липидов, и какое положение могут занимать белки по отношению к липидам. Совре­менная модель биологической мембраны подучила название "универсальная жидкостно-мозаичная модель". Раскрыть это понятие. Охарактеризовать части мембраны: надмембранный комплекс, собственно мембрану и подмембранный комплекс. Объяснить функции биологической мембраны.

Одной из важных функций мембраны является транспорт веществ из клетки в клетку. Охарактеризовать виды транспорта веществ через мем­брану: пассивный и активный. Указать, что к пассивному транспорту от­носятся: осмос, диффузия, фильтрация. Дать определение этим понятиям и привести примеры физиологических процессов в организме, осуществляе­мых пассивным транспортом. К активному транспорту относятся: перенос веществ с участием ферментов-переносчиков, ионные насосы. Раскрыть ме­ханизм на примере работы калиево-натриевого насоса. Различают также активный захват мембраной клетки веществ: фагоцитоз и пиноцитоз. Дать определение этим понятиям, привести примеры. Указать, чем принципиально отличается активный транспорт от пассивного.

В цитоплазме различают гиалоплазму или матрикс - это внутренняя среда клетки. Отметить, что наружный слой цитоплазмы, или эктоплазма, отличается более высокой плотностью и лишена гранул. Подчеркнуть, что эктоплазма ведет себя как коллоид, способный переходить из состояния ге­ля в золь и обратно. Объяснить эти термины. Привести примеры процес­сов, осуществляющихся в матриксе. В нем расположены органеллы и вклю­чения. Знать, что такое органеллы. Выделяют органеллы общего значения и специальные. К первым относятся: эндоплазматическая сеть; пластинча­тый комплекс, митохондрии, рибосомы, полисомы, лизосомы, клеточный центр, микротельца, микротрубочки, микрофиламенты. Охарактеризовать строение и функции этих органелл. Привести примеры органелл специаль­ного назначения, указать их функции. Дать определение понятию - включе­ния клетки, указать виды включений, привести примеры.

Ядро. Отметить основную функцию ядра - хранение наследственной информации. Компонентами ядра являются ядерная оболочка, нуклеоплазма (ядерный сок), ядрышко (одно или два), глыбки хроматина (хромосомы). Подчеркнуть значение ядерной оболочки эукариотической клетки - обособление наследственного материала (хромосом) от цитоплаз­мы, в которой осуществляются многообразные метаболические реакции. Указать, из скольких биологических мембран состоит ядерная оболочка и каковы ее функции. Отметить, что основу нуклеоплазмы составляют белки, в том числе и фибриллярные. Она содержит ферменты, необходимые для синтеза нуклеиновых кислот и рибосом. Ядрышки - непостоянные структу­ры ядра, они исчезают в начале деления клетки и вновь появляются к его концу. Указать, что входит в состав ядрышек и какова их функция.

Хромосомы. Указать, что хромосомы состоят из ДНК, которая окру­жена белками двух типов: гистоновыми (основными) и негистоновыми (кислыми). Отметить, что хромосомы могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях: спирализованном и деспирализованном. Знать, какое из этих двух состояний хромосомы является рабочим и что это означает. Указать, в какой период жизни клетки хромосомы спирализованы и хорошо видны под микроскопом. Знать строение хромосомы, виды хромосом, которые различаются по месту расположения первичной пере­тяжки.

Организмы большинства живых существ имеют клеточное строение. В процессе эволюции органического мира в качестве элементарной си­стемы, в которой возможно проявление всех закономерностей живого, бы­ла отобрана клетка. Организмы, имеющие клеточное строение, делятся на доядерные, не имеющие типичного ядра (или прокариоты), в обладающие типичным ядром (или эукариоты). Указать, какие организмы относятся к прокариотам, какие к эукариотам.

Для понимания организации биологической системы необходимо знать молекулярный состав клетки. По содержанию элементы, входящие в состав клетки, делятся на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Привести примеры элементов, входящих в состав каждой группы, охарактеризовать роль основных неорганических состав­ляющих в жизнедеятельности клетки. Химические компоненты живого делятся на неорганические (вода, минеральные соли) и органические (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты). За небольшим исключением (кость и эмаль зубов) вода является преобладающим компонентом клеток. Знать свойства воды, в каких формах вода находится в клетке, охарактери­зовать биологическое значение воды. По содержанию из органических веществ в клетке первое место занимают белки. Охарактеризовать состав белков, пространственную организацию белков (первичная, вторичная, третичная, четвертичная структуры), роль белков в организме. Углеводы делятся на 3 класса: моносахариды, дисахариды и полисахариды. Знать химический состав и критерии классификации углеводов. Привести примеры важнейших представителей класса и охарактеризовать их роль в жизнедеятельности клетки. Наибольшим химическим разнообразием характеризуются липиды. Термин "липиды" объединяет жиры и жироподобные вещества - липоиды. Жиры - это сложные эфиры жирных кислот и какого-либо спирта. Знать химический состав липидов и липоидов. Подчеркнуть основные функции: трофическую, энергетическую, а также другие функ­ции, которые необходимо охарактеризовать. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, используется для работы в клетках не сразу, а сначала запасается в форме высокоэнергетического промежуточного соединения - аденозинтрифосфата (АТФ). Знать химический состав АТФ. Раскрыть, что представляет собой соединения АМФ и АДФ. Раскрыть понятие "макроэргическая связь". Указать, при каких процессах образуется АДФ и АМФ, и каким образом происходит образование АТФ, какова энергетическая ценность этих процессов. Привести примеры физиологических процессов, требующих больших затрат энергии.

Как известно, хранителем генетической информации являются хромосомы. Они состоят из нуклеиновой кислоты - ДНК и двух видов белков. Рассказать о ДНК. Знать химический состав ДНК. Указать, что представляет собой ее мономер - нуклеотид , назвать виды нуклеотидов. Охаракте­ризовать пространственную модель ДНК, разъяснить понятия комплементарности и антипараллельности цепей молекулы ДНК. Охарактеризовать свойства и функции ДНК. Отметить, что к нуклеиновым кислотам относят­ся также три вида рибонуклеиновых кислот: и-РНК, р-РНК, т-РНК. Знать химический состав РНК. Указать, чем отличаются нуклеотиды РНК от нуклеотидов ДНК. Раскрыть функции всех трех видов рибонуклеиновых кислот.

К биологически активным веществам в клетке относятся ферменты . Они катализируют химические реакции. Необходимо остановиться на та­ких свойствах ферментов; как специфичность действия, активность только в определенной среде и при определенной температуре, большая эффектив­ность действия при малом их содержании. Раскрыть эти положения: и при­вести примеры. В настоящее время на основании их строения ферменты де­лят на две основные группы: полностью белковые ферменты и ферменты, состоящие из двух частей: апофермента и кофермента. Раскрыть эти поня­тия, привести примеры коферментов. Знать, что такое активный центр фермента. По типу катализируемых реакций ферменты делят на 6 основных групп: охсиредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы. Раскрыть механизм действия этих ферментов и привести примеры.

Все гетеротрофные организмы, в конечном счете, получают энергию в результате окислительно-восстановительных реакций, т.е. таких, в которых электроны переносятся от доноров электронов-восстановителей к акцепто­рам электронов - окислителям. По способу диссимиляции организмы делятся на анаэробные и аэробные. Энергетический обмен у аэробных организмов складывается из трех этапов: подготовительного, который проходит в желудочно-кишечном тракте или в клетке под действием ферментов лизосом; бескислородного (или анаэробного), который проходит в матриксе цитоплазмы, и кислородного, который проходит в митохондриях. Дать подроб­ную характеристику всех этапов, указать, какова энергетическая ценность этих этапов, каковы конечные продукты энергетического обмена у аэроб­ных организмов. При анаэробном способе диссимиляции отсутствует кис­лородный этап, и энергетический обмен у анаэробов получил название "брожение". Указать, в чем состоит прогрессивный характер дыхания по сравнению с брожением; каковы конечные продукты диссимиляции при брожении. Привести примеры аэробных и анаэробных (облигатных и факультативных) организмов.

Жизнь на Земле полностью зависит от фотосинтеза растений, постав­ляющих органическое вещество и О 2 всем организмам. При фотосинтезе происходит преобразование световой энергия в энергию химических свя­зей. Дать определение процесса фотосинтеза, отметить значение работ К.А.Тимирязева. Фотосинтез осуществляется только в растениях, имеющих пластиды - хлоропласты . Знать строение хлоропластов, их химический со­став, дать физико-химические характеристики хлорофилла и каротиноидов, необходимых для процесса фотосинтеза. Фотосинтез имеет две стадии: све­товую и темновую. Охарактеризовать световую стадию, отметить, какое значение имеет фотолиз воды, и указать результаты этой фазы фотосинтеза. Охарактеризовать темновую стадию, отметив, что в ней, при использова­нии энергии и СО2 в результате сложных реакций синтезируются углеводы, в частности крахмал. Раскрыть значение фотосинтеза для сельского хозяйства.

Примером пластического обмена у гетеротрофных организмов яв­ляется биосинтез белка . Все основные процессы в организме связаны с бел­ками, причем в каждой клетке постоянно происходит синтез белков, свой­ственных данной клетке и необходимых в данный период жизни клетки. Информация о молекуле белка зашифрована в молекуле ДНК с помощью триплетов или кодогенов. Дать определение понятиям триплет, генетический код. Раскрыть характеристики генетического кода - универсальность, триплетность, линейность, вырожденность или избыточность, неперекрываемость. В биосинтезе белка различают три этапа - транскрипцию, посттранскрипционные процессы и трансляцию. Отразить сущность, последовательность и место прохождения каждого этапа. Знать, почему, образовавшись из одной оплодотворенной яйцеклетки, клетки многоклеточного организма отличаются составом белков и выполняют разные функции. Раскрыть механизм регуляции генной активности при синтезе отдельных белков на примере бактерий (схема Ф. Жакоба и Ж. Моно). Дать определение понятию «оперон», указать его составные части и их функции.

Размножение клеток

Характеризуя воспроизведение на клеточном уровне биологической организации, необходимо отметить, что единственным способом образования клеток является деление предшествующих. Этот процесс очень важен для организма. Существование клетки с момента ее возникновения в результате деления материнской клетки до последующего деления или смерти называется жизненным (или клеточным) циклом. Его компонентом является митотический цикл. Он состоит из интерфазы и митоза. Объяснить, что интерфаза - это наиболее продолжительная часть митотического цикла, в которой осуществляется подготовка клетки к делению. Она состоит из трех периодов (предсинтетический, синтетический и постсинтетический). Дать характеристику периодам интерфазы, отметив, в каком из них синтезиру­ются РНК, белки, ДНК, АТФ и удваиваются органоиды.

Митоз - непрямое деление клетки. Состоит из 4 последовательных фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы. Митоз характеризуется появле­нием хромосом, веретена деления и образованием дочерних клеток, сходных с материнской. Охарактеризовать фазы митоза с последовательностью происходящих в них событий. Указать механизмы, обеспечивающие идентичность хромосом и постоянство их числа в дочерних клетках при митозе. Раскрыть биологическую сущность митоза.

Другой способ - амитоз , или прямое деление. Оно происходит без образования хромосом и веретена деления. Указать, какие клетки делятся амитозом, подчеркнув его отличие от митоза.

Размножение и индивидуальное развитие организмов

Дать определение процессу размножения как свойству организмов оставлять потомство. Различают две формы размножения организмов: бесполое и половое. Отметить, что в основе бесполого размножения лежит митоз, поэтому дочерние организмы являются точной копией материнско­го. Этот способ размножения возник первым в процессе эволюции. Охарак­теризовать способы бесполого размножения у одноклеточных (митотическое деление, шизогония, почкообразование, спорообразование) и многоклеточных (вегетативное размножение, т.е. частями тела или груп­пой соматических клеток). Привести примеры.

Половое размножение - размножение с помощью специальных клеток-гамет, имеющих гаплоидный набор хромосом и участвующих в оплодотворении. Процесс образования гамет называется гаметогенезом . Под­разделяется на сперматогенез и овогенез. Сперматогенез имеет 4 стадии: размножение, рост, созревание и формирование. В овогенезе 3 стадии (отсутствует стадия формирования). Дать характеристику каждой стадии гаметогенеза, указав, как изменяется набор хромосом и количество ДНК в каждой из них. Отметить отличие сперматогенеза от овогенеза.

Мейоз - это способ деления клеток, в результате которого вдвое уменьшается число хромосом. Он является центральным звеном гаметоге­неза, в результате которого из каждой клетки с диплоидным набором хро­мосом образуются 4 гаплоидные клетки. Мейоз состоит из двух быстро следующих друг за другом делений, называемых соответственно первым и вторым мейотическими делениями. Каждое из этих делений имеет фазы, аналогичные митозу, по их прохождение имеет свои особенности. Охарак­теризовать фазы первого и второго делений, отметив их отличия, и пока­зать, как изменяется набор хромосом и количество ДНК в каждой из фаз. Объяснить, почему между первым и вторым делением имеется короткая ин­терфаза. Раскрыть биологическое значение мейоза.

Гаметы в большинстве случаев разные: большая, неподвижная - яй­цеклетка и небольшая, подвижная - сперматозоид. Гаметы – высоко дифференцированные клетки, приспособленные для выполнения специфических функций. Охарактеризовать строение сперматозоидов и яйцеклеток, их ге­нетические особенности и функции.

Оплодотворение – это процесс слияния женской и мужской гамет, ведущий к образованию зиготы. Оплодотворение влечет за собой активацию яйцеклетки и образование гаплоидного ядра зиготы. Гаплоидные ядра не­сут генетическую информацию от двух родительских организмов (комбинативная форма изменчивости). У животных оплодотворение бы­вает наружное и внутреннее. Привести примеры и указать сущность разных видов оплодотворения. У ряда организмов встречается партеногенез - раз­новидность полового размножения, когда развитие особи проходит из нео­плодотворенной яйцеклетки. Отметить виды партеногенеза: естественный (факультативный и облигатный) и искусственный.

Онтогенез - индивидуальное развитие организма, состоит из 3 перио­дов:

1. Прогенез - созревание гамет и их слияние с образованием зиготы.
2. Эмбриональный период (или эмбриогенез ) - с момента образования зиготы до рождения или выхода организма из яйцевых оболочек. Этапы эмбриогенеза: дробление, в результате которого образуется бластула; гаструляция, в процессе которой возникают зародышевые листки (эктодерма, энтодерма и мезодерма); образование тканей и органов. Спо­соб дробления зиготы зависит от количества желтка и характера его рас­пределения в цитоплазме яйцеклетки. Различают полное и неполное дроб­ление. Полное дробление может быть равномерным и неравномерным, а неполное - дискоидальным и краевым. Показать, для каких типов яйцекле­ток характерен тот или иной тип дробления. Процесс гаструляции осуществляется разными способами и зависит от строения бластулы, т.е., в конечном счете, от количества желтка в яйцеклетке. Для гаструляции характерны перемещения и дифференцировка кле­ток, в результате чего образуется двух- или трехслойный зародыш. Отметить, у каких животных развитие заканчивается на стадии двух зародышевых листков: эктодермы и энтодермы, и у каких животных и ка­кими способами развивается третий (или средний) зародышевый листок - мезодерма. Указать, какие ткани и органы образуются из зародышевых листков. После завершения гаструляции происходит развитие осевого ком­плекса: хорды, нервной трубки, туловищной мезодермы; стадия нейрулы. Раскрыть последовательность их формирования. Процесс дифференцировки клеток определяется многими механизмами, среди которых важную роль играет эмбриональная индукция. Описать опыт, доказывающий влияние хорды на развитие других тканей
3. Постэмбриональный период начинается после рождения или вы­хода организма из яйцевых оболочек. В нем различают прямое развитие, которое проходит без личиночной стадии, и непрямое развитие, при кото­ром имеется личиночная стадия, заканчивающаяся превращением (метаморфозом) во взрослую особь. Привести примеры прямого и непрямого постэмбрионального развития у беспозвоночных и позвоночных жи­вотных. Указать биологическую роль непрямого развития.

Основы генетики

Дать определение генетике как науке о закономерностях наследственности и изменчивости. Она, как любая наука, имеет предмет изучения, методы изучения, задачи и цели. Предметом изучения генетики являются свойства живого: наследственность и изменчивость.

Наследственность - способность родителей передавать свои свойства и признаки потомству. Она обеспечивает материальную и функциональную преемственность между поколениями. Благодаря наследственности в поко­лениях сохраняются свойства отдельных организмов и вида в целом.

Различают два вида наследственности: ядерную (хромосомную) и внеядерную (нехромосомную, цитоплазматическую). Ядерная наследственность определяется генами хромосом и распро­страняется на большую часть признаков я свойств организма. Неядерная наследственность обусловлена генами митохондрий, хлоропластов, кинетосом, плазмид, эписом.

Изменчивость - способность организмов менять свои свойства я признаки. Формы изменчивости различны и зависят от многих причин. Наследственность закрепляет в потомстве формы изменчивости, свя­занные с наследственным материалом, т.е. является процессом, обеспечи­вающим сохранение не только сходств, но и различий организмов в ряду поколений.

Генетика раскрыла материальную основу и роль наследственности и изменчивости в эволюционном процессе.

Методы изучения

Указать, что закономерности наследственности и изменчивости изучают на различных, объектах: нуклеиновых кислотах, отдельных генах, хромосомах, органеллах, клетках, микроорганизмах, организмах растений, животных, человека и их популяций.

Генетический анализ проводятся с помощью следующих методов:

1. Гибридологический - подбор родительских пар и анализ проявле­ния в потомстве одного или нескольких признаков.
2. Генеалогический - составление и изучение родословных, прослежи­вание признака по ряду поколений.
3. Цитогенетический - изучение кариотипа при помощи микроскопирования.
4. Популяционный - определение частоты отдельных генов и геноти­пов в популяции, расшифровка генетической структуры.
5. Мутационный - выявление эффекта мутации, оценка мутагенной опасности отдельных факторов и окружающей среды.
6. Феногенетический - выяснение влияния внешних факторов на наследственно обусловленные признаки.

Перечислить основные задачи генетики:

1. решение актуальных проблем, стоящих перед человечеством в об­ластях обеспечения пищевыми, энергетическими и сырьевыми ресурсами;
2. сохранение здоровья человека;
3. охрана окружающей среды и сохранение целостности биосферы.

Наследственность. Современные представления о строении, свойствах и функциях гена.

Объяснить, что в настоящее время ген рассматривается как структур­ная и функциональная единица наследственности, контролирующая разви­тие определенного признака или свойства. Ген является главным звеном в совокупности структур и процессов, обеспечивающих появление в клетке определенного продукта (белка или РНК). Ген и цитоплазма находятся в непрерывном единстве, так как реализация информации, содержащейся в гене, возможна только в цитоплазме.

Перечислить свойства гена:

1. дискретность - раздельность действия генов, осуществление кон­троля различных признаков генами, локусы которых в хромосоме не сов­падают;
2. стабильность - сохранение в неизменном виде в ряду поколений;
3. специфичность - контроль определенного признака данным геном;
4. плейотропность - способность некоторых генов обусловливать раз­витие нескольких признаков (синдром Марфана);
5. аллельность - существование одного гена в нескольких вариантах;
6. градуальностъ - дозированность действия, способность обусловли­вать развитие признака определенной силы (количественного предела); с увеличением "доз" аллелей возрастает количество признака (окраска зерна у пшеницы, окраска глаз, кожи, волос у человека, величина початка, со­держания сахара в корнеплодах и т.д.).

Отметить, что по функционально- генетическим признакам различа­ют:

1. Структурные гены содержат информацию о структурных, фермен­тативных белках, т-РНК, и-РНК.
2. Гены-модуляторы подавляют, усиливают, уменьшают проявление данного признака.
3. Гены-регуляторы координируют активность структурных генов.

Рассказать, что функциональная активность генов заключается в их способности к транскрипции, репликации, рекомбинации и мутации.

Транскрипция - переписывание информации с ДНК с целью ее исполь­зования для синтеза белка. Единицей транскрипции является транскриптон , включающий струк­турные и функциональные гены.

Репликация - удвоение молекулы ДНК, предшествующее распределе­нию наследственного материала между дочерними клетками. Единицей репликация является репликон - фрагмент ДНК, состоящий из 100-200 нуклеотидов.

Рекомбинация - обмен участками между гомологичными хромосомами - одни из механизмов наследственной изменчивости. Единицей рекомбина­ции является рекон (2 нуклеотида).

Мутация - изменение структуры гена - другой механизм наследствен­ной изменчивости, создающий огромный материал для отбора. Единицей мутации является мутон (1-2 нуклеотида).

Основные понятия генетики

Дать определения следующим понятиям:

Кариотип - специфический набор хромосом, присущий организмам одного вида. Он характеризуется:

1. постоянством числа хромосом;
2. индивидуальностью хромосом;
3. парностью хромосом;
4. непрерывностью хромосом.

Аллельные гены (аллели) - разные варианты данного гена, несколько отличающиеся последовательностью нуклеотидов.

Множественный аллелизм - существование в популяции более двух аллелей данного гена. Примером являются три аллели I0, IА, IВ, ответственных за формирование в эритроцитах белков-антигенов, которые обуслов­ливают принадлежность человека к определенной группе крови (в системе АВО).

Альтернативные признаки - взаимоисключающие признаки, которые не могут быть в организме одновременно. Их развитие детерминируется аллельными генами.

Гомозиготный организм - организм, у которого аллельные гены одинаково влияют на развитие данного признака. Гетерозиготный организм - организм, у которого аллельные гены по-разному влияют на развитие данного признака.

Доминантный ген (аллель) контролирует развитие признака, который проявляется у гетерозиготного (гибридного) организма. Рецессивный ген контролирует признак, развитие которого подав­ляется доминантным аллелей. Такой признак может проявиться только у гомозиготного, по данному аллелю, организма.

Генотип - совокупность генов, наследственных задатков данного ор­ганизма. Под генотипом понимают совокупность аллелей в диплоидном наборе хромосом. Их совокупность в гаплоидном наборе хромосом назы­вается геномом .

Фенотип - совокупность внутренних и внешних признаков организма, проявление генотипа в конкретных условиях среды. Фенотипическими признаками являются любые проявления гена: биохимические, иммунологические, морфологические, физиологические, поведенческие и т.д.

Взаимодействие генов

Рассматривая генотип, указать, что эта совокупность представляет собой систему взаимодействующих генов.

Взаимодействие происходит между аллельными и неаллельными ге­нами, локализованными в одной и разных хромосомах.

Система генов образует сбалансированную генотипическую среду, которая влияет на функцию и проявление каждого гена. В результате фор­мируется определенный фенотип организма, все признаки которого строго координированы по времени, месту и сипе проявления.

Взаимодействие аллельных генов выражается:

1. полное доминирование, при котором проявление рецессивного аллеля полностью подавляется действием доминантного гена;
2. неполное доминирование, при котором оба аллеля находят проявле­ние в признаке, у гибридов возникает промежуточный признак;
3. кодоминирование - проявление обоих аллельных генов в фенотипе и развитие двух признаков;
4. сверхдоминирование - проявление более сильного (выраженного) признака у гибридов (гетерозигот) по сравнению с проявлением его у гомозигот по доминантным аллелям.

Взаимодействие неаллельных генов.

Большую группу взаимодействия неаллельных генов составляет мо­дулирование одними генами функции других неаллельных генов. К ней от­носят:

Эпистаз - подавление одного гена другим неаллельным. В случае до­минантного эпистаза подавляющее действие оказывает доминантный ген. Примером доминантного эпистаза является наследование окраски оперения у кур. Куры, имеющие гены окраски, но содержащие в генотипе доминант­ные гены - супрессоры, подавляющие действие генов окраски, оказываются неокрашенными.

Комплементарность - дополнение друг друга взаимодействующими генами. Взаимодействуя, неаллельные гены так дополняют друг друга, что их совместное действие приводит к появлению нового признака, который не появляется, если гены действуют отдельно друг от друга. Примером яв­ляется наследование форм гребней у кур. От скрещивания кур с розовидной формой гребня (генотипы А-вв) с курами, имеющими гороховидную форму гребня (генотипы ааВ-), все поколение оказывается с совершенно новой ореховидной формой гребня (генотипы А-В-).

Полимерия - контролирование одного признака несколькими доми­нантными аллелями. Каждый аллель "доза" гена вносит одинаковый вклад в развитие признака.

Контролируемые такими генами признаки всегда имеют количе­ственную характеристику и она зависит от "доз" доминантных аллелей, присутствующих в генотипе.

Полимерное наследование характерно для роста, телосложения, массы тела у человека, курчавости волос.

Гибридологический метод изучения наследственности

Отметить, что этот метод является центральным методом генетиче­ского анализа. Он разработан Г.Менделем и заключается в скрещивании организмов, отличающихся друг от друга одним или несколькими признаками.

Указать требования, предъявляемые Менделем к применению этого метода:

1. различие родительских форм по контрастным признакам;
2. четкость и стабильность анализируемых признаков;
3. нормальная жизнеспособность и плодовитость потомства;
4. многочисленность поколения и возможность количественного уче­та признака в опыте;
5. использование чистых (гомозиготных) форм, у которых стойко прослеживается в поколениях анализируемый признак.

Подчеркнуть, что применение гибридологического метода позволило Г.Менделю прийти к следующим выводам:

1. связь признака с наследственным фактором;
2. материальность, дискретность, стабильность наследственных, фак­торов;
3. специфичность наследственных факторов - контроль определенных признаков;
4. парность наследственных факторов;
5. о передаче их через гаметы и восстановлений парности при опло­дотворении;
6. о двух противоположных состояниях наследственных факторов: доминантном и рецессивном.

Отметить, что с помощью гибридологического метода Г. Мендель установил закономерности наследуемых признаков:

1. единообразие в первом поколении;
2. расщепление признаков на альтернативные варианты среди особей второго поколения;
3. независимое комбинирование признаков родителей у потомства.

Законы наследования, установленные Менделем. Моногибридное скрещивание. Закон единообразия первого поколения.

Объяснить, что Мендель проводил исследование на 22 сортах гороха, выбрав для анализа 7 пар контрастных признаков. Это растение соответствовало всем требованиям, необходимым для эксперимента:

1. наличие четко выраженных контрастных признаков, которые на­следовались и проявлялись в поколениях;
2. самоопыляемость, что позволило исследовать в опытах чистые (гомозиготные) растения;
3. получение многочисленного потомства (признака учитывались ко­личественно, результаты опытов подвергались математической обработке)
4. достаточные жизнеспособность и плодовитость.

Г.Мендель скрещивая два сорта гороха, отличающихся друг от друга одной парой контрастных признаков - цветом семян. Первый сорт имел желтую окраску семян, второй – зеленую. Оба сорта были чистыми, т.е. стойко сохраняли свой признак в поколениях при предшествующих скрещиваниях.

Все первое поколение оказалось с желтыми семенами. Мендель назвал желтый цвет доминирующим - преобладающим, а. зе­леный рецессивным - исчезающим. Он же ввел символическое обозначение признаков и записи результатов:

А - желтый цвет семени; а - зеленый;

Р - родительские организмы; Г - гаметы;

х - скрещивание родительских форм;

F 1.2.3... - поколения от скрещивания.

Из этой символической записи видно, что до цвету семян все растения оказались одинаковыми с доминантным признаком, по генотипу все гиб­риды были гетерозиготными.

Наблюдаемые результаты Мендель назвал правилом доминирования. Позже правило получало название 1-го закона Менделя - закона единооб­разия первого поколения:

При скрещивании организмов, различающихся, по одной паре контрастных признаков, первое поколение единообразно по фенотипу и гено­типу. По фенотипу все поколение характеризуется доминантным призна­ком, по генотипу все поколение гибридно (гетерозиготно).

Закон расщепления, признаков у гибридов второго поколения.

Рассказать, что из гибридных семян F 1 , Мендель вырастил горох. скрестил его путем самоопыления и получил в F 2 растения с желтыми и зе­леными семенами. Это явление Мендель назвал расщеплением признаков. Наблюдаемое явление выражалось соотношением 3:1 (75% растений имели доминантный признак, 25% - рецессивный).

На основании полученных результатов Мендель сформулировал 2-й закон расщепления: В потомстве, полуденном от скрещивания гибридов первого поколе­ния, наблюдается расщепление признаков в отношении 3:1. Четверть поко­ления имеет рецессивный признак, три четверти - доминантный.

Выясняя причину такого расщепления, Мендель обнаружил, что внешне сходные особи отличаются по наследственным свойствам (генотипу). 1/3 растений с доминантным признаком в дальнейших поколе­ниях не расщеплялась. Мендель назвал их гомозиготными – равно наследственными (АА). 2/3 растений с доминантными признаками давали такое же расщепление признаков, как родители, в отношении 3:1.. Мендель назвал их – разно наследственными гетерозиготными (Аа). Растения с рецессивными признаками (аа) также не давали расщепления признаков, т.е. были гомозиготными.

Эти опыты показали, что наблюдаемое расщепление по фенотипу сопровождается расщеплением по генотипу в соотношении 1:2:1

Р(F 1) Аа х Аа

Г       А; а       А; а

F 2       АА; Аа; Аа; аа,

где одна часть (25%) - поколения АА,

две части (50%) - поколения Аа,

одна часть (25%) - поколения аа.

Закон (гипотеза) "чистоты" гамет.

Характеризуя этот закон, надо, прежде всего, сказать, что анализ признаков растений первого и второго поколений позволил Менделю установить, что рецессивный наследственный фактор, не проявившийся в F 1 не исчезает и не смешивается с доминантным. В F 2 оба наследственных фактора проявляются в чистом виде. А это возможно лишь в том случае, если гибриды F 1 образуют не гибридные, а "чистые» гаметы, одни из которых несут доминантный наследственный фактор, а другие - рецессивный.

Такое несмешивание альтернативных наследственных факторов в гаметах гибридного поколения получило название гипотезы "чистоты" гамет.

Гипотеза "чистоты" гамет явилась цитологической основой 1-го и 2-го законов Менделя. Она объяснила наблюдаемое расщепление по фенотипу и по генотипу и показала, чего оно носит вероятно-статистический характер и объясняется одинаковой вероятностью образования разных классов гамет у гибридов F 1 и одинаковой вероятностью их встречи в F 2 .

В настоящее время эта гипотеза получила полное цитологическое подтверждение. В процессе созревания гаметы проходят мейоз, в результате которого каждая гамета получает гаплоидный набор хромосом, а следовательно, один набор аллельных генов.

Анализирующее скрещивание.

Показать, что оно было разработано Менделем, который установил, что внешне одинаковые организмы могут различаться наследственными факторами, Для выяснения фенотипически одинаковых форм их скрещи­вают с организмами, гомозиготными по рецессивным генам, т.е. имею­щими рецессивный признак.

Если в результате анализирующего скрещивания все поколение ока­зывается единообразным и похожим на организм, генотип которого анали­зируется, последний является гомозиготным.

Если в результате анализирующего скрещивания в поколении наблю­дается расщепление в отношении 1:1, то генотип наследуемого организма - ге­терозиготен.

F 1 Аа; аа 1:1

В данном случае поколение по генотипу и фенотипу как бы возвра­щается к родительским формам, поэтому такое анализирующее скрещива­ние Мендель назвал возвратным.

Анализирующее скрещивание широко используется в селекции жи­вотных, растений, в экспериментальной биологии для составления генети­ческих карт хромосом.

Дигибридное скрещивание. Закон независимого комбинирования признаков во втором поколении. Отметить, что скрещивание, в котором анализируется наследование двух пар признаков, называется дигибридным.

Для скрещивания Мендель выбрал два признака: цвет семян и их форму. Родительские формы отличались двумя парами контрастных приз­наков и были "чистыми" (гомозиготными).

Первый сорт имел желтые и гладкие семена, второй - зеленые и мор­щинистые. Все первое поколение оказалось с желтыми и гладкими семена­ми. Доминировали желтый цвет и гладкая форма, что видно из символи­ческой записи:

А - желтый цвет семян,

а - зеленый,

В - гладкая форма,

в - морщинистая.

Р     ААВВ     х     аавв

Г       АВ                ав

F 1         АаВв   100% (желтые гладкие по фенотипу, дигетерозиготные по генотипу).

Правило доминирования проявилось в наследовании двух признаков одновременно. Скрещивание гибридов первого поколения вызвало появление расте­ний с разными комбинациями признаков.

Признаки родителей наследовались независимо и по разному сочета­лись у потомства. Расщепление по фенотипу было 9:3:3:1. 9 частей имели оба доминантных признака, 3 части - первый доминантный, второй рецессивный, 3 части - первый рецессивный, второй доминантный, 1 часть - оба рецессивных признака.

Показать, что наблюдаемые во втором поколении комбинации приз­наков - результат случайной встречи гамет при оплодотворении. Для сим­волического изображения второго поколения применяется решетка Пеннета.

ж. - желтые; г. - гладкие; з. - зеленые; м. - морщинистые.

Отсюда видно, что генотипы 9 частей растений с желтыми и гладки­ми семенами могут быть: ААВВ, АаВВ, АаВв, ААВв (А-В-):

3 части растений с желтыми и морщинистыми семенами - ААвв, Аавв (А-вв);

3 части растения с зелеными и гладкими семенами - ааВВ, ааВв (ааВ-);

1 часть растений с зелеными и морщинистыми семенами - аавв.

На основании наблюдений был сформулирован закон независимого комбинирования - 3-й закон Менделя: При скрещивании гомозиготных организмов, отличающихся друг от друга двумя и более парами альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всевозможных сочетаниях.

Каждая пара признаков, рассматриваемая отдельно, расщеплялась в отношении 3:1, соотношение желтых и зеленых семян было равно 12:4 = 3:1. Соотношение гладких и морщинистых семян было таким же 12:4 = 3:1.

Законы Менделя служат для анализа более сложных признаков, когда, родители различаются по трем и более парам признаков. При этом гаметы будут образовывать классы, согласно формуле 2n, где n - степень гибридности организма, а в основе фенотипического расщепления - моногибридное расщепление (3:1)n, где n - число пар анализируемых генов. У гетерозигот каждый ген увеличивает число классов гамет вдвое, а число клас­сов генотипов втрое. Особи, гетерозиготная по n парам генов, производят 2n типов гамет и Зn различных генотипов.

Отметить, что закон независимого комбинирования признаков выполняется при следующих условиях:

1. локализация генов в разных парах гомологичных хромосом;
2. отсутствие всех видов взаимодействия аллельных к неаллельных генов, кроме полного доминирования;
3. одинаковая селективная ценность (выживание) всех генотипов;
4. отсутствие плейотропного действия генов.

Сцепление генов. Кроссинговер. Хромосомная теория Моргана.

Указать, что в 1906 г. У. Бэтсон и Р. Пеннет, изучая наследование двух пар аллельных генов у душистого горошка, обнаружили расщепление, отличающееся от соотношений, установленных Менделем.

При скрещивании гомозиготных растений, отличающихся двумя па­рами контрастных признаков ААВВ х аавв, они ожидали в F 2 образование 4 фенотипических классов в отношении 9:3:3:1. Вместо этого появилось фенотипическое расщепление на 2 класса в отношении, близком 3:1 (преобладали растения с сочетаниями признаков, которые были у роди­тельских форм).

При анализе этого явления оказалось, что гены А и В локализовались в одной хромосоме и наследовались вместе (как один ген). Гибриды перво­го поколения образовывали не 4, а 2 вида гамет. Это видно из символи­ческой записи:

P (F 1)     А В     х     А В

              а в            а в

Г         АВ, ав         АВ, ав

F 2     А В,     А В,     А В,     а в

        А В,     а в,      а в,     а в

                  3               1

Стало очевидным, что все гены, находящиеся в одной паре гомоло­гичных хромосом, будут наследоваться вместе и проявлять во втором по­колении картину моногенного наследования, т.е. будут наследоваться как одна пара аллельных генов, давая расщепление 3:1. Это явление получило название сцепленного наследования.

Явление сцепленного наследования получило разъяснение в работах американских генетиков во главе с Т.Морганом, создавших хромосомную теорию наследственности.

Удобным объектом для исследования сцепленного наследования ока­залась мушка (дрозофила), она легко размножалась в пробирках, с пита­тельной средой, давала многочисленное потомство, имела быструю смену поколений. большим преимуществом было наличие 4 пар гомологичных хромосом и большого количества мутантных вариантов (по форме крыльев и окраске глаз, числу, виду, размерам, распределению щетинок и т.д.). Признаки легко прослеживались в поколениях.

Школой Т.Моргана было установлено, что сцепление генов может нарушаться кроссинговером (процесс обмена фрагментами гомологичных хромосом). Это было продемонстрировано в опытах по скрещиванию серых длиннокрылых мух с серыми короткокрылыми. Все поколение от скрещи­вания оказалось с серой окраской тела и длинными крыльями.

Гены серой окраски и длинных крыльев были доминантными и рас­полагались в одной хромосоме.

А - серая окраска тела,

а – черная,

В - длинные крылья,

в - короткие.

(серые длиннокрылые)

Затем проводили анализирующее скрещивание гибридов F 1 . Предполагая полное сцепление между генами А и В, ожидали два вида гамет и два фенотипических класса в F 2: 50% - серых длиннокрылых мух и 50% черных короткокрылых, а получили их по 41,5%. В F 2 оказалось не 2, а 4 фенотипических класса. Кроме ожидаемых фенотипов, оказалось 8,5% - серых короткокрылых и 8.5% черных и длиннокрылых мух. В части гамет у самок прошел кроссинговер, что привело к появлению в потомстве особей с новыми сочетаниями признаков. Такие формы получили название кроссоверных .

Кроссоверные формы

Поскольку все гаметы самцов были полностью одинаковыми, то про­цент кроссоверных форм в F 2 зависел от процента кроссоверных гамет са­мок, общее число которых составило 17%, Т. Морган установил, что различие в проценте кроссоверных особей зависит от расстояния между генами. Вероятность того, что кроссинговер произойдет между далеко расположенными генами, выше, чем между близ­корасположенными генами.

Расстояние между генами в хромосомах принято обозначать в услов­ных единицах - морганидах .

Морганида соответствует такому расстоянию между генами, при котором в потомстве наблюдается 1% кроссоверных особей.

Процент кроссинговера для разных пар генов не превышает 50, при расстоянии в 50 морганид и более гены наследуются независимо, несмотря на локализацию их в одной хромосоме.

На основании данных по кроссинговеру (у дрозофил) Т.Морган сформулировал основные положения хромосомной теории:

1. Гены расположены в хромосомах линейно. Различные хромосомы содержат неодинаковое число генов: набор генов в каждой из негомологичных хромосом уникален.
2. Каждый ген занимает в хромосоме определенное место (локус).
3. Гены локализованные: в одной хромосоме представляют группу сцепления и наследуются совместно, число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом. Две гомологичные хромосомы следует рассматри­вать как одну групп сцепления.
4. Нарушение сцепления происходят в результате кроссинговера.
5. Частота кроссинговера между неаллельными генами, располо­женными в одной хромосоме, зависит от расстояния между ними, и прямо пропорциональна ему.
6. Расстояние между генами измеряется в морганидах. Одна морганида соответствует 1% кроссоверных фенотипов в потомстве.
7. Частота кроссинговера является средством точного установления локализации генов в хромосоме.

Генетика пола.

Указать, что многообразие путей определения пола у разных орга­низмов можно условно разделить на три группы:

1. пол определяется во время оплодотворения - симгамное определе­ние пола;
2. пол определен до оплодотворения - прогамное определение пола;
3. пол определяется механизмами, не связанными с оплодотворением - эпигамное определение пола.

Наиболее распространенным вариантом является определение пола у разных видов во время оплодотворения. Поскольку развитие пола зависит от получившегося в зиготе набора хромосом, оно получило название хро­мосомного определения пола.

Кариотипы (диплоидные наборы хромосом) их состоят из аутосом и половых хромосом. Кариотип женщин включает 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом XX. Женский пол называют гомогаметным, так как он образует один вид гамет X.

Кариотип мужчин включает 22 пары аутосом, аналогичных женским аутосомам, и одну пару половых хромосом ХУ, мужской пол называют гетерогаметным. так как он образует два вида гамет X и У.

Первичное - теоретически предполагаемое соотношение подов 1:1. Вероятность рождения мальчиков и девочек одинакова - 50%.

Р     XX      ХУ

Г      X      X, У

F 1   XX;     ХУ

50% девочек   50% мальчиков (1:1)

Вторичное соотношение полов - соотношение их при рождении отличается от первичного. Мальчиков рождается на 6-7% больше, чем девочек, и составляет 106-100. В силу биологических и социальных особенностей мальчики погибают чаще. Третичное соотношение полов - их соотношение при половом созре­вании. Оно приближается к первичному 1:1.

У некоторых птиц, рептилий, амфибий а бабочек (тутового шелко­пряда) гомогаметным полом являются самцы XX, а гетерогаметным полом ХУ самки. Практически пол этих животных определяется до оплодотворения га­метами самки.

У клопов рода протенор, кузнечиков, многоножек, нематод, жуков самки имеют две Х-хромосомы (XX), а самцы одну (ХО), Тип ХО получил название "протенор".

У перепончатокрылых (пчел, наездников, муравьев) пол зависит от плоидности яйцеклетки (у них нет половых хромосом). Из оплодотворен­ных яйцеклеток у пчел, имеющих 2n хромосом, развиваются самки - рабо­чие пчелы, из неоплодотворенных (n) - самцы (трутни).

Прогамное определение пола обусловлено различиями яйцеклеток из-за неодинакового количества цитоплазмы, питательных веществ. У коловраток, тлей, морских червей из крупных яйцеклеток разви­ваются самки, из мелких - самцы.

Сцепленное с полом наследование.

Рассказать, что признаки, гены которых расположены в подовых хромосомах, называются сцепленными с полом. Их наследование отличает­ся от наследования признаков, гены которых локализованы в аутосомах.

В настоящее время в Х-хромосоме человека обнаружено около 150 ге­нов, отвечающих за развитие самых разнообразных признаков, среди кото­рых есть гены, отвечающие за нормальную свертываемость крови, развитие мышечной системы, сумеречного зрения, цветового зрения, потовых желез, верхних резцов и т.д. Все эти признаки обусловлены доминантными аллелями. Рецессивные аллели этих генов обуславливают заболевания: гемофи­лию - плохую свертываемость крови, дальтонизм - нарушение цветового зрения, ночную слепоту, мышечную дистрофию, отсутствие потовых желез.

Женский (гомогаметный) пол может быть гомозиготным и гетерози­готным но отношению к этим генам:

Х н Х н; Х н X h ; Х h Х h

Гетерозиготные организмы являются скрытыми носителями патоло­гических генов.

Гетерогаметный мужской пол является гемизиготным но этим генам, так как У- хромосома не имеет аллелей этих генов Х н У; X h У

В У-хромосоме обнаружены гены дифференцировки семенников, тка­невой совместимости, гены, влияющие на размер зубов, а также гены пато­логических признаков: раннего облысения, повышенной волосатости (гипертрихоза) и ген ихтиоза (тяжелое поражение кожи).

Так как У-хромосома передается только по мужской линии, эти приз­наки проявляются только у мужчин. Такси тип наследования называется голандрическим.

Особенность наследования генов, расположенных в Х-хромосоме, за­ключается в том, что скрытыми носителями патологических генов являют­ся женщины, а фенотипическое проявление их наблюдается у мужчин:

Р               Х н X h       х       Х н У

Г             Х н,     X h           Х н,     У

F1   Х н X h             Х н Х н     Х н У;               X h У

    женщины-     женщина и мужчина     мужчина,

    носители               здоровые           больной гемофилией

Х h - гемофилия,

X н - нормальное свертывание крови.

От признаков, сцепленных с полом, следует отличать признаки, ограниченные полом . Признаки, проявляющиеся только у одного пола, относятся к призна­кам, ограниченным полом. Гены, определяющие их, могут находиться в аутосомах и половых хромосомах у самцов и самок, подчиняются закономер­ностям наследования обычных признаков. Это такие признаки, как яйце­носкость, молочность, многоплодие, комолостъ.

Селекция этих признаков осуществляется через самцов и самок.

Изменчивость.

Охарактеризовать изменчивость, как свойство живых организмов су­ществовать в различных формах. От нее зависит все разнообразие строения и функций на фоне их единого плана.

Различают два основных вида изменчивости:

1. Фенотипическая - ограниченная только фенотипом, не затраги­вающая наследственного материала, поэтому не передающаяся потомкам.
2. Генотипическая - связанная с различными изменениями генотипа.

Фенотипическая изменчивость выражается в изменении фенотипических признаков, возникающих под влиянием факторов внешней среды. Они не затрагивают генотип, как правило, меняют активность фермента. При­мером является изменение окраски шерсти гималайского кролика под влиянием температуры окружающей среды. Эмбрион развивается в услови­ях повышенной температуры, разрушающей фермент, необходимый для окраски шерсти, поэтому кролики рождаются совершенно белыми.

Вскоре после рождения темнеют отдельные части тела (конники уш­ных раковин, хвоста, носа), где температура ниже, чем в других местах, и фермент не разрушается. Если сбрить участок белой шерсти и охладить его до температуры +2°С, на этом месте вырастает черная шерсть. Фенотипическая изменчивость делится на случайную и модификационную.

Случайная возникает в результате совместного действия на орга­низм многих факторов внешней среды. Она затрагивает разные признаки и не носит приспособительного характера. Она может возникать на любом этапе онтогенеза.

Модификационная возникает у генетически идентичных особей под влиянием внешних факторов. В сходных условиях среды она носит групповой и обратимый характер.

Например, картофель, выращенный из одного клубня, отличается кус­тистостью, величиной и формой клубней в зависимости от плодородия почвы и ухода. В коже всех людей под влиянием УФ-лучей откладывается защитный пигмент - меланин.

Проявление модификационной изменчивости ограничено нормой реакции. Под нормой реакции понимают пределы, в которых возможно из­менение признака у данного генотипа. Это свойство генотипа обеспечивает развитие признака в зависимости от меняющихся условий среды. Классиче­ским примером является смена шерстяного покрова у многих животных на зимний (более густой и светлый).

Норма реакции наследуется в отличие от самой модификационной изменчивости. Ее границы различны у разных признаков и у разных инди­видуумов. Например, количество молока (удой) имеют широкую норму реакции, а жирность значительно уже. Еще более ограниченную норму реак­ции имеют такие признаки, как белки-антигены эритроцитов, определяю­щие группу крови, изменения которых под действием внешних факторов практически невозможно.

Модификации носят направленный характер, в отличие от мутаций, направления которых разнообразны. Интенсивность модификационных изменений пропорционально силе и продолжительности действующего фактора.

Генотипическая изменчивость связана с изменением генотипа, пере­дается поколениям. Различают две формы генотипической изменчивости: комбинативную и мутационную, Комбинативная форма изменчивости связана с процессом полового размножения и новыми комбинациями генов родителей в генотипах детей.

Два механизма комбинативной изменчивости связанны с процессом созревания половых клеток - мейозом. Главный из них - независимое сочетание негомологичных хромосом, проходящее в анафазе первого мейотического деления. Вероятность таких сочетаний для человека составляет 2 23 . Вторым механизмом является обмен участков хромосом между гомо­логичными хромосомами (кроссинговер). Комбинации генов усиливаются случайным подбором родительских пар и случайной встречей гамет у одной и той же родительской пары при оплодотворении. В результате этого в зиготах возникают разнообразные комбинации генов, что создает многочисленные варианты.

Мутационная изменчивость.

Термин "мутация" был введен в 1901 г., Г. де Фризом. Мутацией он назвал внезапное появление нового наслед­ственного признака. Причины и механизмы образования мутаций разнооб­разны. Классификация мутаций разнонаправлена.

1. По месту возникновения различают соматические и генеративные мутации. Соматические мутации - мутации в соматических клетках. Пере­даются поколениям при вегетативном способе размножения, могут исполь­зоваться в селекции растений для получения новых сортов. Известными проявлениями соматических мутаций являются: пятна иной окраски на шкуре овец, пигментные пятна кожи, радужной оболочки глаз у человека, бородавки (папилломы) кожи, Генераптивные мутации - мутации в гаметах, передаются по на­следству.
2. По масштабу вовлечения в мутационный процесс различают ген­ные, хромосомные и геномные мутации.
   Генные (точковые) мутации - изменение нуклеотидной последова­тельности внутри гена, они выражаются в следующем:
   1. выпадении нуклеотида;
   2. вставка нуклеотида;
   3. дупликация нуклеотида - удвоение одной или нескольких пар нуклеотидов;
   4. перестановка нуклеотидов.
   При этом происходит искажение считывания информации ("сдвиг рамки"), изменяется смысл кодогенов, а, следовательно, и синтез нормального полипептида.
   Хромосомные мутации (аберрации) возникают в результате перестройки хромосом:
   1. делеции - утрата хромосомой крупного участка;
   2. дупликации - удвоение участка хромосомы;
   3. транслокации - перенос участка одной хромосомы на другую неге мо логичную;
   4. инсерции - перенесение участка одной хромосомы или отдельны генов в другое место данной хромосомы; это так называемые мобильные гены, положения которых в хромосоме по-разному влияют на признак;
   5. инверсии - перестройка участка хромосомы с обращение его т 180°.
   Геномные мутации - изменение числа хромосом:
   1. полиплоидия - увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов. У полиплоидных форм отмечается увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору (Зn - триплоид; 4n - тетраплоид, 5n - пентаплоид, 6n - гексаплоид). У животных и человека в некоторых внутренних органов (печень, почки) встречаются полиплоидные клетки, число которых увеличивается с возрастом - избирательная со­матическая полиплоидия. Такие клетки обладают большими функциональ­ными возможностями, чем диплоидные;
   2. анеуплоидия - изменение числа хромосом, при котором в диплоидном наборе может быть на одну хромосому больше или меньше нормы: 2n ± 1 хромосом;
   3. гаплоидия - уменьшение числа хромосом в соматических клетках до гаплоидного набора. Гаплоиды обнаруживаются в основном среди расте­ний (дурман, кукуруза, пшеница). Их отличают меньшие размеры, снижен­ная жизнеспособность, бесплодие.
3. Различают спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанные мутации возникают под действием случайных мутагенных факторов, дозы и время которых строго не определены. Частота спонтанных мутаций одинакова для всех организмов и равна для одного гена 10 -7 - 10 -5 . Индуцированные мутации - мутации, вызванные мутагенными фак­торами, увеличивающие частоту спонтанных мутаций.
4. По характеру проявления различают доминантные, полудоминантные и рецессивные мутации.
   Доминантные сразу проявляются в фенотипе (например, полидакти­лия - многопалость).
   Полудоминантные частично подавляют рецессивный ген, проявляют­ся одновременно с ним, вызывая промежуточный признак.
   Рецессивные передаются из поколения в поколение в составе гетерозигот, проявляются лишь в паре с такой же мутацией у гомозиготных по данным аллелям организмов.
5. По селективной ценности (значению для отбора) мутации делятся полезные и вредные.
   Полезные способствуют развитию признаков, обеспечивающих организму преимущества в выживании и размножении. Затем они закрепляются отбором.
   Вредные:
   1. летальные - вызывают гибель организмов;
   2. полулетальные - резко снижают его репродукцию.
   Но они могут длительно не проявляться и накапливаться в генофонде популяции в составе гетерозигот. Следует помнить, что эффект проявления мутаций зависит от факторов внешней среды. Например, у дрозофил есть легальный ген, пенетрантность которого при температуре +30°С составляет 100%, т.е. все мухи погибают, при 0°С - 0%, т.е. все мухи выживают.

Мутагенные факторы можно разделить на 3 группы:

Генетика человека.

Отметить, что основные генетические закономерности имеют универсальное значение. Однако человек как объект генетических исследований имеет большую специфику, которая создает известные трудности в изучении его наследственности и изменчивости: невозможность применить гибридологический метод,