Организмы развиваются по законам природы. Законы развития природы

Законы экологии — общие закономерности и принципы взаимодействия человеческого общества с природной средой.

Значение этих законов состоит в регламентации характера и направленности человеческой деятельности в пределах экосистем различного уровня. Среди законов экологии, сформулированных разными авторами, наибольшую известность получили четыре закона-афоризма американского ученого-эколога Барри Коммонера (1974):

• «все связано со всем» (закон всеобщей связи вещей и явлений в природе);
• «все должно куда-то деваться» (закон сохранения массы вещества);
• «ничто не дается даром» (о цене развития);
• «природа знает лучше» (о главном критерии эволюционного отбора).

Из закона всеобщей связи вещей и явлений в природе («все связано со всем») вытекает несколько следствий:

• закон больших чисел - совокупное действие большого числа случайных факторов приводит к результату, почти не зависящему от случая, т.е. имеющему системный характер. Так, мириады бактерий в почве, воде, телах живых организмов создают особую, относительно стабильную микробиологическую среду, необходимую для нормального существования всего живого. Или другой пример: случайное поведение большого числа молекул в некотором объеме газа обусловливает вполне определенные значения температуры и давления;
• принцип Ле Шателье (Брауна) - при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. На биологическом уровне он реализуется в виде способности экосистем к саморегуляции;
• закон оптимальности — любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах;
• любые системные изменения в природе оказывают прямое или опосредованное воздействие на человека — от состояния индивидуума до сложных общественных отношений.

Из закона сохранения массы вещества («все должно куда-то деваться») вытекают по меньшей мере два постулата, имеющих практическое значение:

Барри Коммонер писан «...глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которое не может являться объектом всеобщего улучшения; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать; он может быть только отсрочен. Нынешний кризис окружающей среды говорит о том, что отсрочка очень затянулась».

Принцип «природа знает лучше» определяет прежде всего то, что может и что не должно иметь места в биосфере. Все в природе — от простых молекул до человека — прошло жесточайший конкурс на право существования. В настоящее время планету населяет лишь 1/1000 испытанных эволюцией видов растений и животных. Главный критерий этого эволюционного отбора — вписанность в глобальный биотический круговорот , заполненность всех экологических ниш. У любого вещества, выработанного организмами, должен существовать разлагающий его фермент, и все продукты распада должны вновь вовлекаться в круговорот. С каждым биологическим видом, который нарушал этот закон, эволюция рано или поздно расставалась. Человеческая индустриальная цивилизация грубо нарушает замкнутость биотического круговорота в глобальном масштабе, что не может остаться безнаказанным. В этой критической ситуации должен быть найден компромисс, что под силу только человеку, обладающему разумом и стремлением к этому.

Помимо формулировок Барри Коммонера современные экологи вывели еще один закон экологии - «на всех не хватит» (закон ограниченности ресурсов). Очевидно, что масса питательных веществ для всех форм жизни на Земле конечна и ограничена. Ее не хватает на всех появляющихся в биосфере представителей органического мира, поэтому значительное увеличение численности и массы каких-либо организмов в глобальном масштабе может происходить только за счет уменьшения численности и массы других. На противоречие между скоростью размножения и ограниченностью ресурсов питания применительно к народонаселению планеты впервые обратил внимание английский экономист Т.Р. Мальтус (1798), который именно этим пытался обосновать неизбежность социальной конкуренции. В свою очередь, Ч. Дарвин заимствовал у Мальтуса понятие «борьба за существование» для объяснения механизма естественного отбора в живой природе.

Закон ограниченности ресурсов — источник всех форм конкуренции, соперничества и антагонизма в природе и, к сожалению, в обществе. И сколько бы ни считали классовую борьбу, расизм, межнациональные конфликты чисто социальными явлениями — все они своими корнями уходят во внутривидовую конкуренцию, принимающую иногда гораздо более жестокие формы, чем у животных.

Существенное различие в том, что в природе в результате конкурентной борьбы выживают лучшие, а в человеческом обществе — это отнюдь не так.

Обобщенную классификацию экологических законов представил известный советский ученый Н.Ф. Реймерс. Им даны следующие формулировки:

• закон социально-экологического равновесия (необходимости сохранения равновесия между давлением на среду и восстановлением этой среды, как природным, так и искусственным);
• принцип культурного управления развитием (наложение ограничений на экстенсивное развитие, учет экологических ограничений);
• правило социально-экологического замещения (необходимость выявления путей замещения человеческих потребностей);
• закон социально-экологической необратимости (невозможность поворота эволюционного движения вспять, от сложных форм к более простым);
• закон ноосферы Вернадского (неизбежность трансформации биосферы под влиянием мысли и человеческого труда в ноосферу — геосферу, в которой разум становится доминирующим в развитии системы «человек-природа»).

Соблюдение этих законов возможно при условии осознания человечеством своей роли в механизме поддержания стабильности биосферы. Известно, что в процессе эволюции сохраняются только те виды, которые способны обеспечивать устойчивость жизни и окружающей среды. Только человек, используя силу своего разума, может направить дальнейшее развитие биосферы по пути сохранения дикой природы, сохранения цивилизации и человечества, создания более справедливой социальной системы, перехода от философии войны к философии мира и партнерства, любви и уважения к будущим поколениям. Все это составляющие нового биосферного мировоззрения, которое должно стать общечеловеческим.

Законы и принципы экологии

Закон минимума

В 1840 г. Ю. Либих установил, что урожай часто ограничивается не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах, а теми, которых нужно немного, но которых мало и в почве. Сформулированный им закон гласил: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай, определяется величина и устойчивость последнего во времени». Впоследствии к питательным веществам добавили ряд других факторов, например температуру. Действие данного закона ограничивают два принципа. Первый закон Либиха строго действует только в условиях стационарного состояния. Более точная формулировка: «при стационарном состоянии лимитирующим будет то вещество, доступные количества которого наиболее близки к необходимому минимуму». Второй принцип касается взаимодействия факторов. Высокая концентрация или доступность некоторого вещества может изменять потребление минимального питательного вещества. Следующий закон сформулирован в самой экологии и обобщает закон минимума.

Закон толерантности

Этот закон формулируется следующим образом: отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатком, но и избытком любого из факторов (тепло, свет, вода). Следовательно, организмы характеризуются как экологическим минимумом, так и максимумом. Слишком много хорошего тоже плохо. Диапазон между двумя величинами составляет пределы толерантности, в которых организм нормально реагирует на влияние среды. Закон толерантности предложил В. Шелфорд в 1913 г. Можно сформулировать ряд дополняющих его предложений.

• Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий в отношении другого.
• Организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам обычно наиболее широко распространены.
• Если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то может сузиться диапазон толерантности к другим экологическим факторам.
• В природе организмы очень часто оказываются в условиях, не соответствующих оптимальному значению того или иного фактора, определенному в лаборатории.
• Период размножения обычно является критическим; в этот период многие факторы среды часто оказываются лимитирующими.

Живые организмы изменяют условия среды, чтобы ослабить лимитирующее влияние физических факторов. Виды с широким географическим распространением образуют адаптированные к местным условиям популяции, которые называются экотипами. Их оптимумы и пределы толерантности соответствуют местным условиям.

Обобщающая концепция лимитирующих факторов

Наиболее важными факторами на суше являются свет, температура и вода (осадки), а в море — свет, температура и соленость. Эти физические условия существования могут быть лимитирующими и влияющими благоприятно. Все факторы среды зависят друг от друга и действуют согласованно. Из других лимитирующих факторов можно отметить атмосферные газы (углекислый газ, кислород) и биогенные соли. Формулируя «закон минимума», Либих и имел в виду лимитирующее воздействие жизненно важных химических элементов, присутствующих в среде в небольших и непостоянных количествах. Они называются микроэлементами и к ним относятся железо, медь, цинк, бор, кремний, молибден, хлор, ванадий, кобальт, йод, натрий. Многие микроэлементы подобно витаминам действуют как катализаторы. Фосфор, калий, кальций, сера, магний, требующиеся организмам в больших количествах, называются макроэлементами. Важным лимитирующим фактором в современных условиях является загрязнение природной среды. Главный лимитирующий фактор, по Ю. Одуму, - размеры и качество «ойкоса », или нашей «природной обители», а не просто число калорий, которые можно выжать из земли. Ландшафт не только склад запасов, но и дом, в котором мы живем. «Следует стремиться к тому, чтобы сохранить, по меньшей мере, треть всей суши в качестве охраняемого открытого пространства. Это означает, что треть всей нашей среды обитания должны составлять национальные или местные парки, заповедники, зеленые зоны, участки дикой природы и т.п.». Территория, необходимая одному человеку, по разным оценкам колеблется от 1 до 5 га. Вторая из этих цифр превосходит площадь, которая приходится ныне на одного жителя Земли.

Плотность населения приближается к одному человеку на 2 га суши. Пригодны же для сельского хозяйства только 24% суши. Хотя с площади всего лишь 0,12 га можно получить достаточно калорий, чтобы поддержать существование одного человека, для полноценного питания с большим количеством мяса, фруктов и зелени необходимо около 0,6 га на человека. Кроме того, требуется еще около 0,4 га для производства разного рода волокна (бумаги, древесины, хлопка) и еще 0,2 га для дорог, аэропортов, зданий и т.п. Отсюда концепция «золотого миллиарда», в соответствии с которой оптимальным количеством населения является 1 млрд человек, и стало быть, уже сейчас около 5 млрд «лишних людей». Человек впервые за свою историю столкнулся с предельными, а не локальными ограничениями. Преодоление лимитирующих факторов требует огромных затрат вещества и энергии. Для удвоения урожая необходимо десятикратное увеличение количества удобрений, ядохимикатов и мощности (животных или машин). К лимитирующим факторам относится и численность популяции.

Закон конкурентного исключения

Данный закон формулируется следующим образом: два вида, занимающие одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте неограниченно долго.

То, какой вид побеждает, зависит от внешних условий. В сходных условиях победить может каждый. Важным для победы обстоятельством является скорость роста популяции. Неспособность вида к биотической конкуренции ведет к его оттеснению и необходимости приспособления к более трудным условиям и факторам.

Закон конкурентного исключения может работать и в человеческом обществе. Особенность его действия в настоящее время заключается в том, что цивилизации не могут разойтись. Им некуда уйти со своей территории, потому что в биосфере нет свободного места для расселения и нет избытка ресурсов, что приводит к обострению борьбы со всеми вытекающими отсюда последствиями. Можно говорить об экологическом соперничестве между странами и даже экологических войнах или войнах, обусловленных экологическими причинами. В свое время Гитлер оправдывал агрессивную политику нацистской Германии борьбой за жизненное пространство. Ресурсы нефти, угля и т.п. и тогда были важны. Еще больший вес они имеют в XXI в. К тому же добавилась необходимость территорий для захоронения радиоактивных и прочих отходов. Войны — горячие и холодные — приобретают экологическую окраску. Многие события в современной истории, например распад СССР, воспринимаются по-новому, если на них посмотреть с экологических позиций. Одна цивилизация может не только завоевать другую, но использовать ее для корыстных с экологической точки зрения целей. Это и будет экологический колониализм. Так переплетаются политические, социальные и экологические проблемы.

Основной закон экологии

Одним из главных достижений экологии стало открытие, что развиваются не только организмы и виды, но и . Последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе, называется сукцессией. Сукцессия происходит в результате изменения физической среды под действием сообщества, т.е. контролируется им.

Высокая продуктивность дает низкую надежность — еще одна формулировка основного закона экологии, из которой вытекает следующее правило: «Оптимальная эффективность всегда меньше максимальной». Разнообразие в соответствии с основным законом экологии непосредственно связано с устойчивостью. Однако пока неизвестно, до какой степени эта связь является причинно-следственной.

Некоторые другие важные для экологии законы и принципы.

Закон эмерджентности : целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у его части.

Закон необходимого разнообразия : система не может состоять из абсолютно идентичных элементов, но может иметь иерархическую организацию и интегративные уровни.

Закон необратимости эволюции : организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, осуществленному в ряду его предков.

Закон усложнения организации : историческое развитие живых организмов приводит к усложнению их организации путем дифференциации органов и функций.

Биогенетический закон (Э. Геккель): онтогенез организма есть краткое повторение филогенеза данного вида, т.е. индивид в своем развитии повторяет сокращенно историческое развитие своего вида.

Закон неравномерности развития частей системы : системы одного уровня иерархии развиваются не строго синхронно, в то время как одни достигают более высокой стадии развития, другие остаются в менее развитом состоянии. Этот закон непосредственно связан с законом необходимого разнообразия.

Закон сохранения жизни : жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии, информации.

Принцип сохранения упорядоченности (Я. Пригожий): в открытых системах энтропия не возрастает, а уменьшается до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, всегда больше нуля.

Принцип Ле Шателье-Брауна : при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Принцип экономии энергии (Л. Онсагер): при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии.

Закон максимизации энергии и информации : наилучшими шансами на самосохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации; максимальное поступление вещества не гарантирует системе успеха в конкурентной борьбе.

Закон развития системы за счет окружающей среды : любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды; абсолютно изолированное саморазвитие невозможно.

Правило Шредингера «о питании» организма отрицательной энтропией: упорядоченность организма выше окружающей среды, и организм отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает. Это правило соотносится с принципом сохранения упорядоченности Пригожина.

Правило ускорения эволюции : с ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида в среднем сокращается, а темпы эволюции возрастают. Средняя продолжительность существования вида птиц — 2 млн лет, вида млекопитающих — 800 тыс. лет. Число вымерших видов птиц и млекопитающих в сравнении со всем их числом велико.

Закон относительной независимости адаптации : высокая адаптивность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособления к другим условиям жизни (наоборот, она может ограничивать эти возможности в силу физиолого-морфологических особенностей организмов).

Принцип минимального размера популяций : существует минимальный размер популяции, ниже которого ее численность не может опускаться.

Правило представительства рода одним видом : в однородных условиях и на ограниченной территории таксономический род, как правило, представлен только одним видом. По-видимому, это связано с близостью экологических ниш видов одного рода.

Закон обеднения живого вещества в островных его сгущениях (Г.Ф. Хильми): «Индивидуальная система, работающая в среде с уровнем организации более низким, чем уровень самой системы, обречена: постепенно теряя структуру, система через некоторое время растворится в окружающей среде». Из этого следует важный вывод для человеческой природоохранной деятельности: искусственное сохранение экосистем малого размера (на ограниченной территории, например, заповедника) ведет к их постепенной деструкции и не обеспечивает сохранения видов и сообществ.

Закон пирамиды энергий (Р. Линдеман): с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий уровень в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень энергии. Обратный поток с более высоких на более низкие уровни намного слабее — не более 0,5-0,25%, и потому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.

Правило обязательности заполнения экологических ниш : пустующая экологическая ниша всегда и обязательно бывает естественно заполнена («природа не терпит пустоты»).

Принцип формирования экосистемы : длительное существование организмов возможно лишь в рамках экологических систем, где их компоненты и элементы дополняют друг друга и взаимно приспособлены. Из этих экологических законов и принципов следуют некоторые выводы, справедливые для системы «человек — природная среда». Они относятся к типу закона ограничения разнообразия, т.е. накладывают ограничения на деятельность человека по преобразованию природы.

Закон бумеранга : все, что извлечено из биосферы человеческим трудом, должно быть возвращено ей.

Закон незаменимости биосферы : биосферу нельзя заменить искусственной средой, как, скажем, нельзя создать новые виды жизни. Человек не может построить вечный двигатель, в то время как биосфера и есть практически «вечный» двигатель.

Закон шагреневой кожи : глобальный исходный природно-ресурсный потенциал в ходе исторического развития непрерывно истощается. Это следует из того, что никаких принципиально новых ресурсов, которые могли бы появиться, в настоящее время нет. Для жизни каждого человека в год необходимо 200 т твердых веществ, которые он с помощью 800 т воды и в среднем 1000 Вт энергии превращает в полезный для себя продукт. Все это человек берет из уже имеющегося в природе.

Принцип удаленности события : потомки что-нибудь придумают для предотвращения возможных отрицательных последствий. Вопрос о том, насколько законы экологии можно переносить на взаимоотношения человека с окружающей средой, остается открытым, так как человек отличается от всех других видов. Например, у большинства видов скорость роста популяции уменьшается с увеличением ее плотности; у человека, наоборот, рост населения в этом случае ускоряется. Некоторые регулирующие механизмы природы отсутствуют у человека, и это может служить дополнительным поводом для технологического оптимизма у одних, а для экологических пессимистов свидетельствовать об опасности такой катастрофы, которая невозможна ни для одного иного вида.

Тип урока: изучение нового материала.

Цель: Познакомить учащихся с систематическим положением человека.

Задачи:

• 
  образовательная: сообщить учащимся систему знаний о чертах сходства и различия человека и других приматов, биосоциальное в природе человека.
• 
  развивающая: развивать логическое мышление, внимание, память учащихся, умение анализировать предложенный материал; вырабатывать умения работы с учебником.
• 
  воспитательная: прививать учащимся убеждения о бережном отношении к своему организму.

Оборудование:

Учебник 8 класса

Рабочая тетрадь

Таблицы

Презентация
План урока:

1. 
   Организационный момент – 2 мин.
2. 
   Повторительно-обучающая работа – 10 мин.
3. 
   Изложение нового материала – 20 мин.
4. 
   Закрепление нового материала –10 мин.
5. 
   Подведение итогов и д/з – 3 мин.

Ход урока:

1. 
   Организационный момент
   • 
     Отметка отсутствующих учащихся.
   • 
     Постановка целей урока.
   • 
     Проверка готовности учеников и принадлежностей к проведению занятия.

1. 
   Повторительно-обучающая работа.

Работа с карточками.

1 карточка.

1. 
   Какой вклад в развитие науки о человеке внесли Гераклит, Аристотель?

Греческий мыслитель Гераклит высказал мысль, что организмы развиваются по законам природы и, познав их, можно использовать эти законы на благо людей. Гераклит считал, что мир непрерывно меняется. Ему принадлежит крылатая фраза:» В одну и ту же реку нельзя войти дважды!»

Великий греческий мыслитель Аристотель много лет занимался сравнением органов животных и человека, изучал их развитие. Он обратил внимание на то, что любое живое существо отличается от неживых тел четкой и строгой организацией. Именно он ввел термин «организм», происходящий от слова « организация».

1. 
   Что такое анатомия человека?

1. 
   Какой вклад Леонардо да Винчи в развитие анатомии?

1. 
   Что такое физиология человека?

3 карточка.

1. 
   Какой вклад в науку о кровообращении внесли Везалий и Гарвей?

Гарвей открыл два круга кровообращения: малый и большой.

1. 
   Как представлял Гераклит происходящие в природе процессы?

Фронтальная беседа.

1. 
   Какому ученому принадлежит крылатая фраза: « В одну и ту же реку нельзя войти дважды!»(Гераклит.)
2. 
   Этот ученый одним из первых стал изучать влияние на здоровье людей природных факторов: воды, пищи, температуры, влажности и земли, на которой выращивают продукт. (Гиппократ).
3. 
   Этот ученый вскрывал домашних и диких животных и тщательно описывал их органы.(Клавдий Гален).
4. 
   Этот ученый дал название главному кровеносному сосуду – «аорта» (Аристотель).
5. 
   Он составил впервые классификацию мышц, сделал около 800 точных рисунков различных органов. (Леонардо да Винчи).
6. 
   Кто кроме Леонардо да Винчи выполнял анатомические рисунки (Рафаэль Санти).
7. 
   Кто установил, что левый и правый желудочки человеческого сердца не сообщаются между собой (Андреас Везалий).
8. 
   Кто открыл два круга кровообращения: малый и большой. (Уильям Гарвей).
9. 
   Какие ученые открыли рефлекс.(Р.Декарт, И.М.Сеченов, И.П.Павлов).
10. 
    Кем была открыта наука об иммунитете. (Л.Пастер, И.И.Мечников).

1. 
   Изложение нового материала.

2 слайд .

Назовём главный признак мы типа

Породнившего с птицей и рыбой,

И лягушкою остромордой

Этот признак – наличие хорды.

Какие признаки ещё подтверждают принадлежность к типу Хордовых?

Нервная трубка на спиной стороне зародыша.

Жаберные щели в глотке.

Тип хордовые. У человека на ранних стадиях эмбрионального развития закладывается хорда, над ней формируется нервная трубка, а под ней кишечник. (рис. 1).

3 слайд . Сердце на брюшной стороне теперь бьётся

И в процессе развития из хорды позвоночник теперь создаётся

Вот по этим чертам скажем точно

Нас относят в подтип позвоночных

Признаки подтипа Позвоночные.

Наличие двух пар свободных конечностей.

Местонахождение сердца на брюшной стороне.

Развитие позвоночного столба.

Формируется череп и челюстной аппарат.

Головной мозг состоит из 5 отделов.

Подтип позвоночные . У человека формируется внутренний скелет, основой которого является позвоночник. Кровеносная система замкнутая. Нервная система дифференцируется на спинной и головной мозг, на периферии находятся нервы, нервные узлы. (рис. 2).

Слайд 4 . Наши братья по классу навечно

Обрели себе железы молочные

И ещё черту вспомнить осмелюсь я

На три ряда у нас зубы делятся

И зародыш внутри развивается

Со средой всякой он не считается

Вот по этим чертам впечатляющим

Мы относимся к классу млекопитающих

Признаки класса Млекопитающие.

Наличие млечных, сальных, потовых желёз.

Теплокровность.

Зубы трёх видов (коренные, клыки, резцы).

Четырёхкамерное сердце.

Сильно развитая кора головного мозга.

Волосы на поверхности тела.

Пять отделов позвоночника.

Диафрагма (дыхательная мышца).

Класс млекопитающие. Человек имеет грудобрюшную преграду – диафрагму, участвующую в дыхании. Она разделяет полость тела на грудную и брюшную. Легкие млекопитающих состоят из многократно ветвящихся трубочек, заканчивающихся легочными пузырьками – альвеолами, где происходит газообмен. Тело имеет постоянную температуру. Сердце четырехкамерное.

5 слайд . Отряд приматы. У человека пятипалая конечность, на пальцах плоские ногти, а не когти, большой палец противопоставлен всем остальным.

6 слайд . Семейство гоминид, кроме человека, включает человекообразных обезьян: гиббона, орангутана, гориллу, шимпанзе. У них большое сходство с человеком в генном аппарате. Обезьяны и люди болеют многими одинаковыми болезнями.(грипп, оспа, СПИД, холера, брюшной тиф).

7 слад . Род Человек . Современный человек отличается от других гоминид развитым мозгом, речью, прямохождением. У обезьян хватательную функцию в равной степени сохранили и ноги, и руки. Хватательная функция человеческой руки усовершенствована, а ноги ее утратили и теперь выполняют только опорную функцию. Пальцы ног стали короче, появились своды стопы. С прямохождением связано и возникновение изгибов позвоночника. Благодаря этим изменениям происходит ослабление сотрясений, возникающих при движениях.

8 слайд . Вид Человек разумный – результат не только биологической, но и социальной эволюции. Чем дальше движется человечество по пути исторического развития, тем большее значение приобретает усвоение опыта предыдущих поколений, накопленного в продуктах труда и в достижениях науки и техники.

Рудименты и атавизмы как доказательство животного происхождения человека.

Важным доказательством происхождения человека от животных является наличие в его теле рудиментов - это органы, которые когда-то активно функционировали у наших предков, а сейчас утратили свое значение, хотя и сохранились – полностью или частично.

К рудиментарным органам в человеческом теле относят:

• 
  мелкие волоски на теле
• 
  копчик
• 
  аппендикс
• 
  мелкие мышечные волокна в коже
• 
  бугорок на ушной раковине
• 
  третье веко
• 
  зубы мудрости.

• 
  хвост
• 
  густой волосяной покров
• 
  дополнительные соски
• 
  шейная фистула (остатки жаберной щели)

1. 
   Закрепление нового материала.

1. 
   Что такое рудимент? Приведите примеры.

1. 
   Что такое атавизм? Приведите примеры.

1. 
   Назовите признаки, которые указывают на принадлежность человека к подтипу позвоночных, классу млекопитающих и отряду приматов.

Формируется внутренний скелет

Кровеносная система замкнутая

Нервная система дифференцируется на спинной и головной мозг

Класс млекопитающие:

- диафрагма

- сердце четырехкамерное

Постоянная температура тела.

Отряд приматы:

Пятипалая конечность

Плоские ногти

Большой палец противопоставлен всем другим.

1. 
   Домашнее задание.

Вопросы в конце параграфа.

>> Становление наук о природе

§ 2. Становление наук о человеке

1. Что вам известно о древней греко-римской культуре?
2. С какими именами она связана?
3. Почему эпоха Возрождения получила такое название?

Людей всегда интересовали проблемы жизни и смерти, способы борьбы с недугами, сохранение здоровья и долголетия, отличие живого от неживого. Вначале считалось, что здоровьем человека, его поступками, жизнью и смертью управляют боги. Но уже на рубеже VI и V веков до нашей эры греческий мыслитель Гераклит (конец VI- начало V в. до н.э.) высказал мысль, что организмы развиваются по законам природы и, познав их, можно использовать эти законы на благо людей. Гераклит считал, что мир непрерывно меняется. Ему принадлежит крылатая фраза: «В одну и ту же реку нельзя войти дважды!»

Великий греческий мыслитель Аристотель (384- 322 до н. э.) много лет занимался сравнением органов животных и человека, изучал их развитие. Он обратил внимание на то, что любое живое существо отличается от неживых тел четкой и строгой организацией.

Именно он ввел термин «организм», происходящий от слова «организация».
Аристотель первым из мыслителей понял, что душевная деятельность человека есть свойство его тела и существует до тех пор, пока живет тело. Теперь мы знаем, что душевная деятельность связана со свойством мозга получать, обрабатывать и использовать информацию для удовлетворения потребностей организма. Жизнь любого существа невозможна без информации о состоянии окружающей среды.

Для развития медицины и гигиены много сделал известный медик античности Гиппократ (ок. 460 - ок. 377 до н. э.). Он одним из первых стал изучать влияние на здоровье людей природных факторов: воды, пищи, земли, на которой выращивают продукты, температуру и влажность воздуха. Ему удалось найти причины болезней, в которых виноваты сами люди.

Продолжателем идей Гиппократа был известный римский врач Клавдий Гален (130-200 н. э.). Он вскрывал домашних и диких животных и тщательно описывал их органы. Подробно изучив строение костей, мышц и суставов обезьяны, Гален предположил, что человек устроен сходным образом. Галену принадлежат многие работы о функциях органов.

5. БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

5.1. Особенности биологического уровня организации материи

Биология (от греч. «биос» – жизнь, «логос» – учение) – наука о живой природе.

Биология изучает живые организмы – , бактерии, грибы, животных и растения. В настоящее время на Земле описано около 3 млн. видов живых организмов (более 100 тыс. видов грибов, около 500 тыс. видов растений и более 2 млн. видов животных). Однако реальное число видов на Земле в несколько раз больше. Современный видовой состав – это лишь около 5% от видового разнообразия жизни за период ее существования на Земле.

По изучаемым объектам биологию подразделяют на самостоятельные науки – микробиологию, ботанику, зоологию , включающие частные дисциплины: систематику (изучает разнообразие и родство разных групп живых организмов), морфологию (исследует внешнее строение органов и их видоизменения), анатомию (изучает внутренне строение), физиологию (изучает процессы, протекающие в живых организмах).

По уровню изучения живой материи различают: молекулярную биологию , учение о клетке – цитологию (от греч. «цитос» – клетка), учение о тканях – гистологию (от греч. «гистос» – ткань), науку об органах – анатомию , биологию организмов, популяций, видов и т.д.

Единые закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие, составляет предмет общей биологии . Универсальные свойства живого – наследственность и изменчивость изучает генетика . Взаимоотношения живых организмов между собой и со средой их обитания изучает экология
(от греч. «ойкос» – дом, жилище, местообитание).

Разнообразие используемых методов и подходов химии, физики и математики для исследования живой природы позволяет выделить биохимию, молекулярную биологию, биофизику,
генную инженерию (создание организмов с новыми комбинациями наследственных признаков и свойств) и др.

Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими системами различной структурной организации и разного уровня соподчинения. Все живые организмы (кроме вирусов) состоят из клеток. Клетки одноклеточных организмов представляют собой целостные, способные выполнять все необходимые для обеспечения жизнедеятельности функции. Клетки многоклеточных организмов специализированы, т.е. могут осуществлять лишь какую-либо одну функцию и не способны самостоятельно существовать вне организма, взаимосвязь многих клеток приводит к созданию нового качества, не равнозначного простой их сумме. Элементы организма – клетки, ткани и органы – в сумме еще не представляют собой целостный организм. Лишь соединение их в исторически сложившийся в процессе эволюции порядок и их взаимодействие образуют целостный организм, способный существовать в окружающей среде в динамическом равновесии с ней.

Происхождение жизни на Земле. Основные теории возникновения жизни. Креационизм, самопроизвольное зарождение жизни, стационарного состояния, панспермии. Теория биохимической эволюции. Теория коацерватов А.И. Опарина: органические вещества могли синтезироваться из более простых соединений под действием интенсивной солнечной радиации. Решающую роль в превращении неживого в живое сыграли белки. Опыты Стенли Миллера. Природа первых организмов – гетеротрофы. Симбиогенез как возможный путь формирования клетки эукариот.

Цитология – наука о клетке. Клетка – система мембран. Впервые название клетка применил Роберт Гук. Одноклеточные организмы открыл Антон Левенгук. Т. Шванн сформулировал клеточную теорию. Карл Бэр открыл яйцеклетку млекопитающих.

Современная клеточная теория:

Клетка – основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого .

Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ.

Размножение клеток происходит путем их деления и каждая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки.

В сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.

Прокариоты и эукариоты. Особая – неклеточная форма жизни – вирусы.

Оболочка клетки. Многослойная мембрана, состоящая из белков и липидов. Функции: барьер, транспорт – обмен веществ, механическое соединение за счет выростов и каналов. Диффузия, осмос, фильтрация, избирательная проницаемость, фагоцитоз, пиноцитоз. Органоиды – органы клетки и выполняемые ими основные функции.

Химический состав клетки: липиды, углеводы, белки.

Состав и функции белков. Полимеры состоят из многих мономеров – аминокислот. У всех аминокислот есть одинаковая часть, состоящая из аминогруппы и карбоксильной группы другая часть аминокислот разная – называется радикалом. Структура белка: первичная, вторичная, третичная, четвертичная.

Нуклеиновые кислоты. ДНК, РНК – полимеры, состоят из нуклеотидов . Состав: азотистое основание, углевод и фосфорная кислота. Аденин, гуанин, цитозин, тимин. Удвоение молекулы ДНК происходит по принципу комплиментарности.

Обмен веществ. 1) Обеспечение клетки строительным материалом – пластический обмен. 2) Обеспечение клетки энергией – энергетический обмен. Постоянный обмен веществ и энергии. Открытая система

Энергетический обмен (в частности, получение клеткой энергии) происходит за счет расщепления аденозинтрифосфорной кислоты до аденозиндифосфорной кислоты. АТФ по структуре относится к нуклеотидам. В ней содержатся остатки азотистого основания (аденина), углевода (рибозы) и три остатка фосфорной кислоты. Под действием определенных ферментов она подвергается гидролизу, т.е. присоединяет молекулу воды и расщепляется. Восстановление запаса АТФ идет в две стадии: гликолиз – бескислородное расщепление и дыхание – кислородное расщепление. Участвуют многочисленные ферменты. Основное условие нормального течения кислородного процесса – целостность митохондриальных мембран.

Автотрофы и гетеротрофы . Фотосинтез – синтез органических соединений, идущий за счет энергии солнечного излучения. Световая фаза и темновая фаза. Хемосинтез присутствует у азотфиксирующих и нитрифицирующих бактерий. Окисление аммиака в азотную кислоту. Окисление азотистой кислоты в азотную.

Код ДНК.
Отрезок молекулы ДНК , содержащий информацию о первичной структуре одного определенного белка, называется геном. В молекуле ДНК содержится несколько сотен генов. На молекулах ДНК записана и хранится информация о первичной структуре всех белков данной клетки. Транскрипция. Размножение и индивидуальное развитие организмов. Одно из свойств живого – дискретность, то есть на любом уровне организации живая материя представлена элементарными структурными единицами. Для клетки – это органоид и его целостность обуславливается постоянным воспроизведением ноорганоидов вместо износившихся. Каждый организм состоит из клеток. Развитие и существование организма обеспечивается размножением клеток.

Животный мир и мир растений состоят из отдельных единиц – видов . Каждая особь данного вида смертна и существование видов поддерживается размножением организмов. Таким образом, дискретность жизни предполагает ее воспроизводство, то есть процесс размножения.

Две основные формы размножения – половое и бесполое , половое – смена поколений и развитие организмов при образовании специализированных половых клеток. При бесполом размножении новая особь появляется из неспециализированных теток тела – соматических, неполовых.

При бесполом размножении процесс деления клеток называется митозом. Генотип идентичен материнскому.

Половое размножение дает генетическое преимущество по сравнению с бесполым. Происходят комбинации генов, принадлежащих обоим родителям. Поскольку рекомбинация генов происходит в каждом поколении, то это дает значительно более богатый материал для эволюции, чем мутационный процесс.

Основное направление эволюции полового размножения – сингамия, т.е. оплодотворение, при котором обязательно слияние двух половых клеток, происходящих от разных особей. Такой тип полового размножения наилучшим образом обеспечивает генетическое разнообразие потомства.

Гаметогенез – развитие половых клеток. В них содержится гаплоидный набор хромосом – в два раза меньше, чем в соматических клетках. Процесс образования половых клеток – мейоз. Биологическая роль мейоза заключается в поддержании постоянства хромосомного набора, свойственного данному виду организмов. Функции сперматозоида – внесение генетической информации в яйцеклетку и активация ее развития. В яйцеклетке же заложены все основные факторы, позволяющие организму развиваться. У некоторых животных яйцеклетка может развиваться без оплодотворения – партеногенез. При партеногенезе образуются особи только одного пола – мужского или женского.

Индивидуальное развитие (онтогенез ) – процесс реализации генетической информации, полученной от родителей. Эмбриональный и постэмбриональный периоды.

Начальные стадии эмбрионального развития.

1) Дробление – многоклеточный зародыш – бластула. Клетки имеют диплоидный набор хромосом, одинаковы по строению, т.е. клетки бластулы не дифференцированы.

2) Гаструляция – образуются первые эмбриональные ткани. Происходит дифференциация клеток. Возникают два зародышевых листка – наружный эктодерма и внутренний – энтодерма. Затем формируется новый зародышевый листок – мезодерма. Клетки каждого листка отличаются особенностями строения. Зародышевые листки занимают определенное положение в зародыше и дают начало соответствующим органам.

3) Первичный органогенез – комплекса осевых органов зародыша – нервной трубки, хорды, кишечной трубки.

Из одних и тех же зародышевых листков у разных видов образуются одни и те же ткани и органы. Это говорит о гомологичности зародышевых листков, что, в свою очередь, является одним из доказательств единства животного мир.

Постэмбриональный период развития начинается в момент рождения или выхода организма из яйцевых оболочек. Развитие может быть прямым или сопровождаться метаморфозом. При прямом развитии из яйцевых оболочек или из тела матери выходит организм небольших размеров, но в нем заложены все основные органы, свойственные взрослому животному (беспозвоночные с неполным превращением, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие). В период постэмбрионального развития происходит значительный рост организма и половое созревание.

При развитии с метаморфозом из яйца выходит личинка, подчас не имеющая сходства со взрослым организмом, со специальными личиночными органами, которые отсутствуют во взрослом состоянии. Личинка растет и развивается. Личиночные органы заменяются на органы взрослого организма. Метаморфоз связан с переменой образа жизни или среды обитания. Значение заключается в том, что личинки могут самостоятельно питаться и растут, накапливая клеточный материал для формирования органов, свойственных взрослым животным. Смена жизненных фаз позволяет виду разнообразнее использовать экологические ниши, имеющиеся в биоценозе, а также несет расселительную функцию.

Закон зародышевого сходства Карла Бэра. Появление в эмбриональном периоде развития современных животных признаков, свойственных далеким предкам, отражает эволюционные преобразования в строении органов.

Биогенетический закон Мюллера и Геккеля . Онтогенез каждой особи есть краткое и быстрое повторение филогенеза вида, к которому эта особь относится.

А.Н.Северцов установил, что в индивидуальном развитии проявляются признаки не взрослых предков, а их зародышей. Таким образом, основу филогенеза составляют изменения, происходящие в онтогенезе отдельных особей.

Генетика изучает два фундаментальных свойства живых организмов – наследственность и изменчивость . Наследственность – это свойство родителей передавать свои признаки и особенности развития следующему поколению. Обеспечение преемственности свойств – лишь одна из сторон наследственности; вторая сторона – обеспечение точной передачи специфического для каждого организма типа развития, становления в ходе онтогенеза определенных признаков и свойств, определенного типа обмена веществ. Клетки, через которые осуществляется преемственность поколений, – половые при половом размножении и соматические при бесполом – несут в себе только зачатки возможности развития признаков и свойств. Эти зачатки получили название генов. Ген – это участок молекулы ДНК (или участок хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака. При наличии в организме (генотипе) какого-либо гена признак, обусловленный этим геном, может и не проявиться. Возможность развития признаков в значительной степени зависит от условий внешней среды. У всех организмов данного вида каждый ген располагается в одном и том же месте (или локусе) строго определенной хромосомы. Гаплоидный и диплоидный набор хромосом. Аллельные гены и множественный аллелизм. Генотип и фенотип.

Законы Менделя . Гибридное потомство. Явление преобладания у гибрида признака одного из родителей Мендель назвал доминированием. Признак – доминантный. Подавляемый – рецессивный. Гомозиготный и гетерозиготный организмы. Неполное доминирование. Явление расщепления.

Чистоты гамет. Анализирующее скрещивание. Сцепленное наследование генов – явление совместного наследования генов, локализованных в одной хромосоме, а локализация генов в одной хромосоме – сцеплением генов.

Генетика определения пола. Хромосомы, одинаковые у обоих полов, называются аутосомами. Половые хромосомы те, по которым мужской и женский полы отличаются друг от друга. Гомогаметный XX. Гетерогаметный ХУ. Наследование, сцепленное с полом.

Методы генетических исследований: гибридологический метод (метод скрещивания); цитогенетический метод; генеалогический метод; близнецовый метод.

Закономерности изменчивости. Изменчивость – процесс, отражающий взаимосвязь организма с внешней средой (генотипическая и модификационная). Наследственные изменения – мутации. Изменения, вызванные факторами внешней среды, не являются наследственными. Степень варьирования признака называется нормой реакции. Гомологические ряды Вавилова.

Развитие биологии в додарвиновский период. Истоки эволюционного учения – воззрения натурфилософов Древней Греции.

Основные знания об окружающем нас мире получены в период начиная с эпохи Возрождения до настоящего времени. Эпоха Возрождения – представление об абсолютной неизменяемости природы. Вершиной искусственной систематики явилась система К. Линнея в середине XVIII века. Ученый-метафизик XVIII в. Ж. Кювье – виды животных созданы Творцом и остаются неизменными.

Первая теория эволюционного развития органического мира создана в конце XVIII – начале XIX веков Ж.-Б. Ламарком. Эволюционное учение Ламарка строится на признании изменчивости организмов вследствие влияния внешней среды и наследования приобретенных признаков.

К. Рулье (русский ученый) – середина XIX века – считал, что по общему закону природы все организмы образуются путем медленных и постоянных изменений. Крупнейший русский эмбриолог YIX века К. Бэр обосновал закон зародышевого сходства. Во второй четверти XIX века М. Шлейден и Т. Шванн создали клеточную теорию – научное обоснование единства животного мира.

Основные идеи эволюционного учения Дарвина:

Учение о естественном отборе. Каждый вид организмов стремится к безграничному размножению, но огромная часть организмов гибнет, не оставив потомства. Причины гибели – конкуренция с представителями своего же вида за корм, нападение врагов, неблагоприятных абиотических факторов. Следует второй вывод: в природе происходит непрерывная борьба за существование. Дарвин выделил 3 формы борьбы за существование: а) внутривидовую; б) межвидовую; в) борьбу с неживой природой – неблагоприятными условиями. В природе происходят процессы избирательного уничтожения одних особей и преимущественного размножения других, это явление Ч. Дарвин назвал естественным отбором или выживанием наиболее приспособленных.

При изменении условий внешней среды меняется направление давления отбора и полезными для выживания оказываются какие-то иные признаки по сравнению с существующими. Движущей силой изменения видов, т.е. эволюции, является естественный отбор. Материалом для отбора служит наследственная изменчивость .

В основе эволюционной теории Ч. Дарвина лежит представление о виде . Видом называется совокупность особей, сходных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство

Одна из важнейших характеристик вида – его репродуктивная изоляция. Реально вид существует в виде популяций. Популяция является элементарной единицей эволюции.

Учение о микроэволюции составляет ядро современного дарвинизма.. Микроэволюция – процесс, идущий на уровне популяций. Образование нового вида – это итог микроэволюции.

В микроэволюционном процессе выделяются элементарные единицы, явления и процессы. Элементарная эволюционная единица – популяция , элементарный эволюционный материал – наследственная изменчивость, элементарные факторы эволюции: а) мутационный процесс; б) популяционные волны (волны сизни); в) изоляция; г) естественный отбор.

Мутационный процесс ведет к изменению частот отдельных аллелей (генов) в популяции и является поставщиком нового материала в популяцию. Поддерживая высокую степень генетического разнообразия популяций, он создает основу для действия естественного отбора. Многие мутации оказываются федными. Обезвреживание мутаций происходит в результате толового процесса. Безграничная изменчивость была бы вредна, но выработаны механизмы, не только увеличивающие изменчивость, но и понижающие ее.

Популяционные волны или колебание численности популяций. Действие волн жизни предполагает неизбирательное случайное уничтожение особей, благодаря чему редкий перед началом волны аллель может сделаться обычным и быть подхвачен естественным отбором. Влияние популяционных волн может быть особенно заметно в популяциях малой величины. Волны жизни – поставщики эволюционного материала.

Изоляция. Изоляция – возникновение любых барьеров, ограничивающих панмиксию. Изоляция закрепляет и усиливает начальные стадии генетической дифференцировки, без этого закрепления невозможно формообразование (видообразование). Важная характеристика – длительность изоляции. В природе существуют: пространственная и биологическая изоляции (биотопическая, этологическая, морфофизиологическая).

Естественный отбор – это единственный направленный эволюционный фактор, движущая сила эволюции. Предпосылки естественного отбора: гетерогенность особей, прогрессия размножения и давление жизни. Во всех случаях избыточная численность и экологическая предпосылка естественного отбора – борьба за существование. Объект отбора – особи или группы особей. В пределах популяции отбираются, то есть преимущественно оставляют потомство особи, обладающие какими-либо преимуществами перед другими, т.е. в процессе естественного отбора важно дифференциальное размножение особей. С позиций генетики под естественным отбором нужно понимать избирательное воспроизведение разных генотипов. Главное значение в эволюции имеет не само выживание особей, а их вклад в генофонд популяции.

Существует важное ограничение сферы действия отбора. Он не может изменить организацию вида без пользы для этого вида. Однако отбор часто ведет к созданию признаков и свойств, невыгодных для отдельной особи и полезных для популяции в целом (жало пчелы). Естественный отбор доказан экспериментально.

Основные формы естественного отбора в популяциях.

Стабилизирующий отбор . Это форма естественного отбора, направленного на поддержание в популяциях среднего, ранее сложившегося, значения, признака. Действует до тех пор, пока условия жизни существенно не меняются.


Движущий отбор . Движущей (или направленной) формой отбора принято называть отбор, способствующий сдвигу среднего значения признака или свойства. Такой отбор способствует закреплению новой нормы взамен старой, пришедшей в соответствие с изменяющимися условиями.


Дизруптивный отбор . Дизруптивный отбор направлен против особей со средним и промежуточным характером признаков и ведет к установлению полиморфизма в пределах популяций. Популяция как бы разрывается по данному признаку на несколько групп.


Другие, более частные формы отбора: половой, индивидуальный, групповой.


Результат действия естественного отбора – возникновение адаптации или приспособлений, например, таких как покровительственная окраска, мимикрия, предостерегающая окраска, различные средства защиты у растений и животных.


Целесообразность живой природы – результат исторического развития видов в определенных условиях. Поэтому она всегда относительна и имеет временный характер. Ни один из приспособительных признаков не обеспечивает абсолютной безопасности. Любые приспособления целесообразны только в обычной для вида обстановке. При изменении условий среды они оказываются бесполезными или даже вредными (резцы грызунов).


Преадаптации. В некоторых случаях у животных оказываются развитыми те органы или структуры, которые могут оказаться полезными для освоения новой среды обитания. Такие явления носят названия предадаптаций.


Видообразование – источник возникновения многообразия в живой природе. Видообразование – это разделение прежде единого вида на два или несколько. Основные пути и способы видообразования – аллопатрическое (географическое) и симпатрическое.


Макроэволюция. Под ней понимается эволюция организмов выше видового уровня. Гранью между микро- и макроэволюцией является этап формирования видов, видообразование. После образования вида единство и непрерывность эволюционного процесса не нарушается. На фоне непрерывно текущего микроэволюционного процесса при видообразовании происходят макроэволюционные значимые события. Одним из таких наиболее общих макроэволюционных событий может рассматриваться возникновение сложной системы форм родственных организмов, полностью биологически изолированных и образующих иерархическую систему таксонов:


вид – род – семейство – отряд – класс и т.д.


Макроэволюционные процессы. Филогенез – или эволюция крупных систематических групп (выше видового).


Первичные формы филогенеза:


1. Филетическая эволюция – процесс изменения исходного вида. В процессе филетической эволюции получается филетическое древо. В отличие от микро
эволюционного процесса филетическая эволюция необратима.
2. Дивергенция. Это другая первичная форма эволюции таксона (вида). В результате изменения направления отбора в разных условия происходит дивергенция (расхождение) ветвей древа жизни от единого ствола предков. Процессы дивергенции в макроэволюции необратимы.


Более частные макроэволюционные процессы – конвергенция и параллелизм. Конвергенция или возникновение различных признаков в систематически далеких, неродственных группах (крыло бабочки и летучей мыши). Параллелизм – формирование сходного фенотипического облика у первоначально разошедшихся (дивергировавших), но родственных групп.


Направления эволюции . Арогенез – переход эволюционирующей группы в новую адаптивную зону (крыло птицы, кистеперость рыб и т.д.). Аллогенез (идеоадаптации) – эволюция группы внутри одной адаптивной зоны.


Правила эволюции: необратимости эволюции – организм не может вернуться к прежнему состоянию; правило прогрессирующей специализации – эволюционирующая группа идет по пути все более глубокой специализации; правило происхождения от неспециализированных предков – новые крупные группы берут начало от сравнительно неспециализированных предков; правило адаптивной радиации – эволюция любой группы сопровождается разделением ее на ряд филогенетических стволов, которые расходятся в разных адаптивных направлениях от некого исходного среднего состояния.


Современные проблемы эволюционного учения . Нейтральная эволюция или постепенная эволюции за счет накопления молекулярных изменений (мутаций), дрейфа генов и других процессов.


Монофилия и полифилия различных таксономических групп. Сетчатая эволюция – происхождение таксонов гибридогенным путем и один из возможных механизмов полифилитического происхождения некоторых групп. Гипотеза симбиогенеза и полифилитическое происхождение типов и царств природы.


Проблемы эволюции экосистем . Устойчивость экосистем и преобладание в ненарушенных экосистемах стабилизирующего отбора. Сильная взаимосвязь видов в экосистемах порождает их одновременную или сопряженную эволюцию (коэволюцию) при глобальных изменениях на Земле.


5.1.1. Уровни организации живой материи


Уровень организации живой материи – это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерархии живого. Выделяют следующие уровни организации живой материи:


1.
Молекулярный (молекулярно-генетический). На этом уровне живая материя организуется в сложные высокомолекулярные органические соединения, такие, как белки, нуклеиновые кислоты и др.


2.
Субклеточный (надмолекулярный). На этом уровне живая материя организуется в органоиды: хромосомы, клеточную мембрану, эндоплазматическую сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, рибосомы и другие субклеточные структуры.


3.
Клеточный . На этом уровне живая материя представлена клетками. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого.


4.
Органно-тканевой . На этом уровне живая материя организуется в ткани и органы. Ткань – совокупность клеток, сходных по строению и функциям, а также связанных с ними межклеточных веществ. Орган – часть многоклеточного организма, выполняющая определенную функцию или функции.


5.
Организменный (онтогенетический). На этом уровне живая материя представлена организмами. Организм (особь, индивид) – неделимая единица жизни, ее реальный носитель, характеризующийся всеми ее признаками.


6.
Популяционно-видовой . На этом уровне живая материя организуется в популяции. Популяция – совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Вид – совокупность особей (популяций особей), способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимающих в природе определенную область (ареал).


7.
Биоценотический . На этом уровне живая материя образует биоценозы. Биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.


8.
Биогеоценотический . На этом уровне живая материя формирует биогеоценозы. Биогеоценоз – совокупность биоценоза и абиотических факторов среды обитания (климат, почва).


9.
Биосферный . На этом уровне живая материя формирует биосферу. Биосфера – оболочка Земли, преобразованная деятельностью живых организмов.


Предсказать свойства каждого следующего уровня на основе свойств предыдущих уровней невозможно так же, как нельзя предсказать свойства воды, исходя из свойств кислорода и водорода. Такое явление носит название эмерджментность, то есть наличие у системы особых, качественно новых свойств, не присущих сумме свойств ее отдельных элементов. С другой стороны, знание особенностей отдельных составляющих системы значительно облегчает ее изучение.


5.1.2. Свойства живых систем


М. В. Волькенштейном предложено следующее определение жизни: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».


Однако до сих пор общепризнанного определения понятия «жизнь» не существует. Но можно выделить
признаки (свойства) живой материи , отличающие ее от неживой.


1.
Определенный химический состав . Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы, однако соотношение этих элементов различно. Макроэлементами живых существ являются углерод С, кислород О, азот N и водород Н (в сумме около 98% состава живых организмов), а также кальций Са, калий К, магний Мg, фосфор Р, сера S, натрий Nа, хлор Сl, железо Fе (в сумме около 1–2%). Химические элементы, которые входят в состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называются
биогенными. Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах (марганец Mn, кобальт Со, цинк Zn, медь Сu, бор В, иод I, фтор F и др.; их суммарное содержание в живом веществе составляет порядка 0,1 %), ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке – вода (75–85 % от сырой массы живых организмов) и минеральные соли (1–1,5 %), важнейшие органические вещества – углеводы (0,2–2,0 %), липиды (1–5 %), белки (10–15 %) и нуклеиновые кислоты (1–2 %).


2.
Клеточное строение. Все живые организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение.


3.
Обмен веществ (метаболизм) и энергозависимость . Живые организмы являются открытыми системами, они зависят от поступления в них из внешней среды веществ и энергии. Живые существа способны использовать два вида энергии – световую и химическую , и поэтому признаку делятся на две группы: фототрофы (организмы, использующие для биосинтеза световую энергию – растения, цианобактерии) и хемотрофы (организмы, использующие для биосинтеза энергию химических реакций окисления неорганических соединений – нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии и др.). В зависимости от источников углерода живые организмы делят на: автотрофы (организмы, способные создавать органические вещества из неорганических – растения, цианобактерии), гетеротрофы (организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения – животные, грибы и большинство бактерий) и миксотрофы (организмы, которые могут, как синтезировать органические вещества из неорганических, так и питаться готовыми органическими соединениями (насекомоядные растения, представители отдела эвгленовых водорослей и др.).


Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма – обмена веществ. Выделяют две составные части метаболизма – катаболизм и анаболизм.


Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) – совокупность реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии. Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме – аденозинтрифосфата (АТФ) . Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования , т.е. присоединения неорганического фосфата к АДФ. Катаболизм делится на несколько этапов:


1) подготовительный этап (расщепление сложных углеводов до простых – глюкозы, жиров до жирных кислот и глицерина, белков до аминокислот);


2) бескислородный этап дыхания – гликолиз , в результате глюкоза расщепляется до ПВК (пировиноградной кислоты); в итоге образуется 2АТФ (из 1 моль глюкозы). У анаэробов или у аэробов при его недостатке кислорода протекает брожение.


3) кислородный этап – дыхание – полное окисление ПВК осуществляется в митохондриях эукариот в присутствии кислорода и включает две стадии: цепь последовательных реакций – цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) и цикл переноса электронов ; в итоге образуется 36АТФ (из 1 моль глюкозы).


Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) – понятие, противоположное катаболизму: совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии. Наиболее важным метаболическим процессом пластического обмена является фотосинтез (фотоавтотрофия) – синтез органических соединений из неорганических за счет энергии света.


Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.


4.
Саморегуляция (гомеостаз). Живые организмы обладают способностью поддерживать гомеостаз – постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов.


5.
Раздражимость. Живые организмы проявляют раздражимость, то есть способность отвечать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями. Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществлявляется с участием нервной системы – рефлекс. Реакция на раздражение у простейших животных называется – таксис , выражающийся в изменении характера и направления движения. По отношению к раздражителю выделяют фототаксис – движение под воздействием источника света, хемотаксис – перемещение организма в зависимости от концентрации химических веществ и др. Выделяют положительный или отрицательный таксис в зависимости от того, действует раздражитель на организм позитивно или негативно. Реакция на раздражение у растений – тропиз ,
выражающийся в определенный характер роста. Так, гелиотропизм (от греч. «Гелиос» – Солнце) означает рост наземных частей растений (стебля, листьев) по направлению к Солнцу, а геотропизм (от греч. «Гея» – Земля) – рост подземных частей (корней) по направлению к центру Земли.


6.
Наследственность. Живые организмы способны передавать неизменными признаки и свойства из поколения в поколение с помощью носителей информации – молекул ДНК и РНК.


7.
Изменчивость. Живые организмы способны приобретать новые признаки и свойства. Изменчивость создает разнообразный исходный материал для естественного отбора, т.е. отбора наиболее приспособленных особей к конкретным условиям существования в природных условиях, что в свою очередь приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.


8.
Самовоспроизведение (размножение). Живые организмы способны размножаться – воспроизводить себе подобных. Благодаря размножению осуществляются смена и преемственность поколений. Принято различать два основных типа размножения:


- Бесполое размножение (участвует одна особь) наиболее широко распространено среди прокариот, грибов и растений, но встречаются и у различных видов животных. Основные формы бесполого размножения: деление, спорообразование, почкование, фрагментация, вегетативное размножение и клонирование (клон – генетическая копия одной особи).


- Половое размножение (обычно осуществляется двумя особями) характерно для подавляющего большинства живых организмов и имеет огромное биол. значение. Вся совокупность явлений, связанных с половым размножением, складывается из 4 основных процессов: образование половых клеток – гамет (гаметогенез); оплодотворение (сингамия – слияние гамет и их ядер) и образование зиготы; эмбиогенез (дробление зиготы и формирование зародыша); дальнейший рост и развитие организма в послезародышевый (постэмбриональный) период. Биологическое значение полового размножения заключается не только в самовоспроизведении особей, но и в обеспечении биологического разнообразия видов, их адаптивных возможностей и эволюционных перспектив. Это позволяет считать половое размножение биологически, более прогрессивным, чем бесполое. Половое размножение осуществляется с помощью специализированных половых клеток – гамет, имеющих вдвое меньшим числом хромосом, чем соматические клетки. Женские гаметы называют яйцеклетками, мужские – сперматозоидами. Для некоторых групп организмов характерны так называемые нерегулярные типы полового размножения: партеногенез (развитие зародыша из неоплодотворенной яйцеклетки – пчелы, муравьи, термиты, тля, дафнии), апомиксис (развитие зародыша из клеток зародышевого мешка или неоплодотворенной яйцеклетки у цветковых растений) и др.


9.
Индивидуальное развитие (онтогенез). Каждой особи свойственен онтогенез – индивидуальное развитие организма от зарождения до конца жизни (смерти или нового деления). Развитие сопровождается ростом.


10.
Эволюционное развитие (филогенез). Живой материи в целом свойственен филогенез – историческое развитие жизни на Земле с момента ее появления до настоящего времени.


11.
Адаптации. Живые организмы способны адаптироваться, то есть приспосабливаться к условиям окружающей среды.


12.
Ритмичность. Живые организмы проявляют ритмичность жизнедеятельности (суточную, сезонную и др.).


13.
Целостность и дискретность. С одной стороны, вся живая материя целостна, определенным образом организована и подчиняется общим законам; с другой стороны, любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и взаимосвязанных элементов. Любой организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и др.) состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных или отграниченных в пространстве, но, тем не менее, тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.


14.
Иерархичность. Начиная от биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и заканчивая биосферой в целом, все живое находится в определенной соподчиненности. Функционирование биологических систем на менее сложном уровне делает возможным существование более сложного уровня.


15.
Негэнтропия. Согласно II закону термодинамики все процессы, самопроизвольно протекающие в изолированных системах, развиваются в направлении понижения упорядоченности, т.е. возрастания энтропии. В то же время по мере роста и развития живые организмы, наоборот, усложняются, что, казалось бы, противоречит второму началу. На самом деле это мнимое противоречие. Дело в том, что живые организмы представляют собой открытые системы. Организмы питаются, поглощая при этом энергию извне, выделяют в окружающую среду тепло и продукты жизнедеятельности, наконец, погибают и разлагаются. По образному выражению Э. Шредингера, «организм питается отрицательной энтропией». Совершенствуясь и усложняясь, организмы вносят хаос в окружающий их мир.


Кроме перечисленных, иногда выделяют физиологические свойства, присущие живому – рост, развитие, выделение и т.д.


5.1.3. Химический состав, строение и воспроизведение клеток


Из 112 химических элементов Периодической системы Д.И. Менделеева в состав организмов входит более половины. Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов или компонентов молекул неорганических и органических веществ. Относительно простые химические соединения, которые встречаются как в живой, так и в неживой природе (в минералах, природных водах), называют неорганическими (или минеральными) веществами. Многообразные соединения углерода, синтезируемые преимущественно живыми организмами, называют органическими веществами: углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и др.


Вода – преобладающий компонент всех живых организмов; среднее содержание в клетках большинства организмов составляет около 70%. Воды выполняет следующие функции: универсальный растворитель, среда для протекания биохимических реакций, терморегулятор (поддерживает тепловое равновесие клеток благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности), осуществляет транспорт веществ, определяет осмотическое давление, вода – источник кислорода, выделяющегося при фотосинтезе.


Минеральные вещества – составляют до 1,5% сырой массы клетки. Наиболее важны H + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , HPO 4 2– , H 2 PO 4 – , Cl, HCO 3 – . Функции неорганических веществ: образуют межмембранный потенциал, поддерживают рН в клетке (буферные системы HPO 4 2– , H 2 PO 4 – и CO 3 2– , HCO 3 –), создают осмотический потенциал, образуют скелет позвоночных, раковины моллюсков, активируют ферменты.


Углеводы (сахариды) – C n (H 2 O) m , в клетке от 0,2 до 2% в расчете на сухую массу. Моносахариды: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза. Дисахариды: мальтоза, лактоза, сахароза. Полисахариды: гликоген, крахмал, целлюлоза, хитин. Биологическое значение: энергетическая, структурная, запасающая, защитная функции.


Липиды – нерастворимые в воде органические вещества (гидрофобны), содержание в клетках от 1 до 15%, в жировых до 90%. К липидам относятся: жиры (сложные эфиры глицерина и высокомолекулярных жирных кислот), воска, стеролы. Биологическое значение: энергетическая, запасающая, структурная, защитная, регуляторная, функции.


Белки (полипептиды) – полимеры, состоящие из 20 аминокислот. Растения способны самостоятельно синтезировать все аминокислоты, а животные лишь часть из них, поэтому остальные, называемые незаменимыми, они должны получать с пищей. Биол. значение: каталитическая, структурная, регуляторная, защитная, транспортная, энергетическая функции. В строении белков выделяют несколько структур: первичная структура (определяется последовательностью аминокислот), вторичная структура (вид спирали, возникает за счет водородных связей), третичная структура (вид глобула, образована за счет дисульфидных, ионных и гидрофобных связей), четвертичная структура (объединение нескольких третичных структур, удерживающихся ионными, водородными и гидрофобными связями – гемоглобин). Изменение свойств, конформации и биологической активности белка называют денатурацией .


Нуклеиновые кислоты – моно– или полинуклеотиды, выполняющие в клетке очень важные функции. Мононуклеотиды выступают в качестве источника энергии – АТФ, полинуклеотиды обеспечивают хранение и передачу наследственной информации – ДНК и РНК. Мононуклеотид состоит из азотистого основания (пурунового: аденин – А, гуанин – Г или пиримидинового: цитозин – Ц, тимин – Т, урацил – У), пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы ) и остатков фосфорной кислоты. Строение молекулы ДНК расшифровали Дж. Уотсон и Ф. Крик.


В нуклеотиде ДНК содержится одно из четырех азотистых оснований – аденин А, гуанин Г, тимин Т или цитозин Ц, сахар – дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. В нуклеотиде РНК содержится одно из четырех азотистых оснований – А, Г, У (вместо Т) или Ц, сахар – рибоза и остаток фосфорной кислоты. ДНК большинства живых организмов (кроме вирусов) состоят из двух антипараллельно направленных полинуклеотидных цепей, связанных водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности : А=Т, Г≡Ц.


РНК – разнообразные по размерам, структуре и функциям одноцепочечные молекулы. Все молекулы РНК являются копиями определенных участков ДНК. Выделяют три вида РНК: мРНК (иРНК) – матрица для синтеза молекул белка; рРНК – составляет 50% субъединиц рибосом (50% белок); тРНК – присоединяют определенную аминокислоты к антикодону и транспортируют ее к месту сборки полипептида.


Одним из крупнейших обобщений XIX в. стала клеточная теория , изложенная в трудах Т. Шванна, М. Шлейдена и Р. Вирхова. Современная клеточная теория включает следующие положения:


Все живые организмы состоят из клеток (исключение составляют вирусы); клетки одноклеточных и многоклеточных животных и растительных организмов сходны (гомологичны) по строению, химическому составу, принципам обмена веществ и основным проявлениям жизнедеятельности.



Все живые организмы развиваются из одной или группы клеток; каждая новая клетка образуется в результате деления сходной (материнской) клетки.



В сложных многоклеточных организмах клетки дифференцируются, специализируясь по выполнению определенной функции; клетки объединены в ткани и органы, функционально вязанные в системы, и находятся под контролем межклеточных, гуморальных и нервных форм регуляции.


Среди всего многообразия ныне существующих на Земле организмов выделяют вирусы, не имеющие клеточного строения, все остальные организмы представлены разнообразными клеточными формами жизни. Различают два типа клеточной организации: прокариотический и эукариотический .


Клетки прокариотических организмов устроены сравнительно просто. В них нет морфологически обособленного ядра, единственная хромосома образована кольцевидной ДНК и находится в цитоплазме, мембранные органеллы отсутствуют (их функцию выполняют различные впячивания плазматической мембраны). К надцарству прокариот относят бактерий. Одну из групп фотосинтезирующих бактерий (синезеленые водоросли, или цианобактерии) раньше относили к водорослям. Однако в настоящее время их рассматривают как специфическую группу бактерий.


Большинство современных живых организмов относится к одному из трех царств – растений, грибов и животных, объединяемых в надцарство эукариот .


Для растительных клеток характерно наличие толстой целлюлозной клеточной стенки, различных пластид, крупной центральной вакуоли, смещающей ядро к периферии. Клеточный центр высших растений без центриоли. В качестве резервного питательного углевода клетки растений запасают крахмал.


В клетках грибов клеточная оболочка содержит хитин, в цитоплазме имеется центральная вакуоль, отсутствуют пластиды. Главным резервным полисахаридом является гликоген.


Животные клетки имеют, как правило, тонкую клеточную стенку, не содержат пластид и центральной вакуоли, для клеточного центра характерна вакуоль. Запасным углеводом является гликоген.


В зависимости от количества клеток, из которых состоят организмы, последние делят на одноклеточные и многоклеточные. Одноклеточными являются все прокариоты, а также простейшие, некоторые зеленые водоросли и грибы. Несмотря на индивидуальные особенности, все клетки построены по единому плану и имеют много общих черт.


Эукариотическая клетка состоит из трех компонентов: оболочки, цитоплазмы и ядра.


Снаружи клетка окружена оболочкой, основу которой составляет плазматическая мембрана или плазмолемма . Мембраны состоят из белков и липидов (бимолекулярный слой). Мембраны, обладают свойством избирательной проницаемости (способны пропускать одни веществ и не пропускать другие), а также свойством самопроизвольного восстановления целостности структуры. Углеводный компонент в составе клеточных оболочек разных клеток выражен в различной степени: в животных клетках он относительно тонок и называется гликокаликсом , в растительных клетках углеводный компонент сильно выражен и представлен целлюлозной клеточной стенкой .


Внутреннее содержимое клетки представлено цитоплазмой , состоящей из основного вещества, или гиалоплазмы (т.е. водный раствор неорганических и органических веществ), и находящихся в нем разнообразных внутриклеточных структур. Последние представлены: включениями – относительно непостоянные компоненты, например запасные питательные вещества (зерна крахмала, белков, капли гликогена) или продукты, подлежащие выведению из клетки (гранулы секрета); органоидами – постоянные и обязательные компоненты большинства клеток, имеющие специфическую структуру и выполняющие жизненно важные функции.


К органоидам клетки не имеющим мембранного строения относят рибосомы, микрофиламенты. микротрубочки, клеточный центр.


Рибосомы – структуры, состоящие из примерно равных по массе количеств рРНК и белка, представлены субъединицами: большой и малой. Функция рибосом – сборка белковых молекул.


Микротрубочки и микрофиламенты – нитевидные структуры, состоящие из различных сократительных белков, обуславливающие двигательные функции клетки.


Клеточный центр (центросома ) состоит из двух центриолей, участвующих в формировании митотического веретена клетки. Каждая центриоль имеет вид полого цилиндра, стенка которого образована 9 триплетами микротрубочек.


К мембранным органоидам эукариотической клетки относят структуры с одинарной мембраной – ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы, а также органоиды с двумя мембранами – митохондрии и пластиды. По симбиотической гипотезе о происхождении эукариотической клетки, митохондрии и пластиды являются потомками древних прокариот. Эти органеллы полуавтономны, т.к. обладают собственным аппаратом биосинтеза белка (ДНК, РНК, ферменты).


ЭПС
(эндоплазматическая сеть) – разветвленная система полостей, трубочек и каналов. ЭПС – место синтеза белков и липидов, а также их транспорта внутри клетки. На мембране шероховатой ЭПС располагаются рибосомы (синтез белков). Мембраны гладкой ЭПС содержат ферменты синтеза почти всех липидов.


Аппарат Гольджи состоит из дисковидных мембранных полостей и отшнуровывающихся от них микропузырьков. Попадающие в АГ белки и липиды сортируются, упаковываются в секреторные пузырьки и транспортируются к различным внутриклеточным структурам или за пределы клетки. Мембраны аппарата Гольджи способны образовывать лизосомы.


Лизосомы выполняют функцию внутриклеточного переваривания макромолекул пищи и чужеродных компонентов, поступающих в клетку. Для осуществления этих функций лизосомы содержат около 40 ферментов, разрушающих белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы.


Митохондрии
важнейшие органоиды клетки, осуществляющие аэробное дыхание, в котором образуется основная часть молекул АТФ. Митохондрии называют энергетическими станциями клетки. Внутренняя мембрана образует многочисленные выросты кристы, пространство между ними заполнено матриксом, содержащим различные ферменты, нуклеиновые кислоты, рибосомы.


Пластиды присутствуют только в растительных клетках. Известны три типа пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Бесцветные лейкопласты выполняют запасающую функцию в корнях, семенах, клубнях, листьях. Желто-оранжевые хромопласты определяют окраску плодов, цветков, листьев. Зеленые хлоропласты на внутренней мембране имеют выросты – ламеллы , на которых расположены уплощенные пузырьки – тилакоиды , сложенные в стопки – граны . В мембранах гран находится хлорофилл, обеспечивающий протекание световой фазы фотосинтеза.


Специализированными органоидов общего значения являются сократительные вакуоли, синаптические пузырьки нервных клеток, микроворсинки эпителиальных клеток, реснички и жгутики.



Клеточное ядро – наиболее важный компонент эукариотических клеток (нет в проводящих клетках флоэмы и эритроцитах). Большинство клеток имеют одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки. В состав ядра входят ядерная оболочка и кариоплазма, содержащая хромосомы. Хромосомы – молекулами ДНК в комплексе с белками . Число хромосом в клетках каждого биологического вида постоянно. Обычно в ядрах клеток тела (соматических ) хромосомы представлены парами, в половых клетках они непарны. Одинарный набор хромосом в половых клетках называют гаплоидным (n), набор хромосом в соматических клетках – диплоидным (2n).


Диплоидный набор хромосом конкретного вида живых организмов, характеризующийся числом, величиной и формой хромосом, называется
кариотипом .


Кариотип человека представлен 46 хромосомами (23 пары): 44 аутосомы и 2 половые хромосомы (у женщины две одинаковые X-хромосомы, у мужчины – Х и Y-хромосомы).


Пол, который образуют гаметы одинаковые по половой хромосоме, называют гомогаметным , а пол образующий разные гаметы – гетерогаметным .


У млекопитающий (в т.ч. человека), червей, большинства членистоногих, земноводных, некоторых рыб гомогаметным является женский пол, а гетерогаметным – мужской.


Одним из положений клеточной теории является постулат «omnis cellula e cellula » – каждая клетка из клетки. Деление клеток – жизненно важный процесс для всех организмов. В человеческом организме, состоящем примерно из 10 13 клеток, каждую секунду должны делиться несколько миллионов из них. Существует несколько типов деления клеток.


Митоз – универсальный способ деления эукариотических клеток, состоящий из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы. При митозе образуются клетки с наследственной информацией, которая качественно и количественно идентична информации материнской клетки


Амитоз – прямое деление ядра две более или менее равные части, но дочерние клетки получают наборы неидентичные материнскому. Таким способом делятся стареющие и патологически измененные клетки, а также клетки эндосперма и кожного эпителия.


Мейоз
(от греч. «мейозис» – уменьшение) – своеобразный способ деления клеток, приводящий к уменьшению в них числа хромосом вдвое. Мейоз является центральным звеном гаметогенеза у животных и спорогенеза у растений. Мейоз состоит из двух последовательных делений, которым предшествует однократная редупликация ДНК. После двух последовательных мейотических делений из одной клетки с диплоидным набором двухроматидных хромосом (1n4с ) образуются четыре клетки с гаплоидным набором однохроматидных хромосом (nс). Мейоз – основа комбинативной изменчивости, обеспечивая генетическое разнообразие гамет благодаря процессам кроссинговера (обмена участками между гомологичными хромосомами в профазе I мейотического деления), расхождения и комбинаторики отцовских и материнских хромосом.


5.1.4. Биосфера и


Термин «биосфера» использовал в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс для обозначения оболочки Земли, населяемой живыми организмами.


В 20-х гг. прошлого века в трудах В.И. Вернадского было разработано представление о биосфере как глобальной единой системе Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью. В.И. Вернадский впервые создал учение о геохимической роли живых организмов, показав, что их деятельность является главным фактором преобразования земной коры.


По В.И. Вернадскому: биосфера
– та область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.


Участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли ничтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много, они обладают высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и, в конечном счете, представляют в своей совокупности особый, глобальных масштабов фактор, преобразующий верхние оболочки Земли. Биосферу рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты, поддерживающую глобальный круговорот веществ.


Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере). На поверхности Земли в настоящее время полностью лишены живых существ лишь области обширных оледенений и кратеры действующих вулканов. В. И. Вернадский указывал на «всюдность » жизни в биосфере. Об этом свидетельствует история нашей планеты. Жизнь появилась локально в водоемах и затем распространялась все шире и шире, заняв все материки. Постепенно она захватила всю биосферу, и захват этот, по мнению В. И. Вернадского, еще не закончился.


В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает, прежде всего, температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5–15 км уже превышает 100˚С. В нефтяных месторождениях на глубине 2–2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве (живые организмы обнаружены до глубины 7,5 км). В океане жизнь распространена на всех глубинах и встречается на дне океанических впадин в 10–11 км и температурой около 0˚С. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием ультрафиолетовой радиации. На высоте 25–27 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь озон. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Основная часть жизни в атмосфере сосредоточена в слое до 1–1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни около 6 км над уровнем моря.


В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ. По В.И. Вернадскому, в состав биосферы входят следующие типы веществ.


1.
Живое вещество – живые организмы, населяющие нашу планету (масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы всей биосферы).


2.
Косное вещество – неживые тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы).


3.
Биогенное вещество – неживые тела, образующиеся в результате деятельности живых организмов (некоторые осадочные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.).


4.
Биокосное вещество – биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почвы, илы, кора выветривания и др.).


5.
Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элементов – уран (238 U и 235 U), торий (232 Th), радий (226 Ra) и радон (222 Rn и 220 Rn), калий (40 K), рубидий (87 Rb), кальций (48 Са), углерод (14 С) и др.


6.
Рассеянные атомы – отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (в таком состоянии часто существуют атомы микро- и ультрамикроэлементов: Mn, Со, Zn, Сu, Аu, Hg и др.)


7.
Вещество космического происхождения – вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль).


5.1.5. Функции живого вещества биосферы


Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества:


1.
Энергетическая (биохимическая) – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов.


2.
Газовая – способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. С газовой функцией связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных космических излучений выполняла вода).


3.
Концентрационная – «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Содержание марганца в некоторых бактериях может быть в миллионы раз больше, чем в окружающей среде. Результат концентрационной деятельности живого вещества – образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.


4.
Окислительно-восстановительная – окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, Р, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.


5.
Деструктивная – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) – сапротрофные грибы и бактерии.


6.
Транспортная – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).


7.
Средообразующая
– преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной – представляет собой результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры.


8.
Рассеивающая – функция, противоположная концентрационной – рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо гемоглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.


9.
Информационная – накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.


10.
Биогеохимическая деятельность человека – превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода – нефти, угля, газа и др.


Таким образом, биосфера представляет собой сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.


5.1.6. Круговорот веществ в биосфере


Основой самоподдержания жизни на Земле являются биогеохимические круговороты . Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, совершают постоянные перемещения, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Возможность многократного использования одних и тех же атомов делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии.


В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты.


Геологический круговорот (большой круговорот веществ в природе) – круговорот веществ, движущей силой которого являются геологические процессы. Протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли. Крупнейшие формы рельефа (материки и океанические впадины) и крупные формы (горы и равнины) образовались за счет эндогенных процессов, а средние и мелкие формы рельефа (речные долины, холмы, овраги, барханы и др.), наложенные на более крупные формы, – за счет экзогенных процессов.


Биологический (биогеохимический) круговорот (малый круговорот веществ в биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов и совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ, затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ. В зависимости от расположения резервного фонда (т.е. веществ не связанных с живыми организмами) биогеохимические круговороты можно разделить на два типа:


1) Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота).


2) Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.).


Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды.


С появлением человека возник антропогенный круговорот, или обмен, веществ.
Антропогенный круговорот (обмен) – круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот). ,

Обитание жизни развивается в результате постоянного обмена веществ информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих её организмов.

40. Закон минимума (Либиха): Веществом, присутствующим в минимуме, управляет урожай, определяется его величина, и стабильность во времени.

41. Законы Коммонера:

«Все связано со всем»;

«Все должно куда-то деваться»;

«Ничто не дается даром»;

«Природа знает лучше».

42. Закон максимума (Шелфорда): Процветание организма ограничено зонами максимума и минимума определенных экологических факторов; между ними располагается зона экологического оптимума, в пределах которого организм нормально реагирует на условия среды.

43. Деградация биосферы - это разрушение или существенное нарушение экологических связей в природе, сопровождающееся ухудшением условий жизни человека, вызванное стихийными бедствиями или хозяйственной деятельностью самого человека, производимой без учета знания законов развития природы.

44.Этапы деградации биосферы:

использование огня (ранний палеолит);

развитие сельского хозяйства;

промышленная революция.

экологический кризис.

45. Источники деградации биосферы могут быть естественными (природными) и искусственными (антропогенными). Естественные загрязнение ОС вызвано природными процессами (пыльные бури, вулканизм, лесные пожары и т.д.). Искусственные загрязнение связи с выбросами в ОС различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека (сельское хозяйство, транспорт, промышленность и т.д.)

46. Последствия деградации биосферы:

Заметное уменьшение биоразнообразия экосистемы, разрушение и уничтожение ещё сохранившихся участков дикорастущей растительности, варварское уничтожение лесов и болот, сокращение численности диких животных, исчезновение многих представителей флоры и фауны. В результате всех этих действий к середине ХХ столетия антропогенное воздействие на биосферу по своему значению вошло на один уровень с естественным, приняв планетарные масштабы. Таким образом, человечество превратилось в один из основных геоэкологических судьбоносных факторов эволюции планеты.

47. Загрязнение – любое внесения в ту или иную экологическую систему (биоценоз) не свойственных ей живых или неживых компонентов, любых изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговорота и обмена веществ, потоки энергии, следствием которых является снижения продуктивности или разрушения данной системы.

48.Основные загрязняющие вещества:

диоксид углерода (СО 2);

оксид углерода (СО);

диоксид серы (SO 2);

оксиды азота (NO, NO 2 , N 2 O);

тяжелые металлы и в первую очередь ртуть, свинец и кадмий;

канцерогенные вещества, в частности, бензапирен;

пестициды;

• радионуклиды и другие радиоактивные вещества;

  диоксиды (хлоруглеводороды);

  твердые примеси (аэрозоли): пыль, сажа, дым;

  нефть и нефтепродукты.

49. По агрегатному состоянию различают 3 вида загрязнителей: твердые, жидкие и газообразные.

50. По происхождению природы, агрегатного состояния, масштабу распространения, вызванным последствиям, степени токсичности

51. По природе загрязняющие вещества классифицируют на такие группы: химические, физические, биологические,эстетические.