Биология
курс лекций для студентов,
обучающихся на русском языке
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Рязанский государственный медицинский университет
им.акад. И.П.Павлова
Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию»
Кафедра гистологии и биологии
Калыгина Т.А. Брызгалина Л.И. Шутов В.И.
Биология
курс лекций для студентов,
доцент, к.б.н. Брызгалина Л.И.
доцент, к.м.н. Шутов В.И.
Рецензенты: Ендолов В.В., профессор, зав. кафедрой ана-
томии, физиологии и гигиены человека Ря-
занского государственного университета им.
С.Есенина
Дармограй В.Н., профессор, зав. кафедрой
фармакогнозии с курсом ботаники.
Ил.20, библиогр.8 ББК 28.0
УДК 57(075.8)
© Т.А.Калыгина,
Л.И.Брызгалина,
Шутов В.И.
© ГОУ ВПО Ряз. ГМУ.2008
Современная биология, являясь фундаментальной дисциплиной, играет первостепенную роль в профессиональной подготовке различных специалистов, в том числе и врачей.
В области медицинского образования широкая биологическая подготовка студентов необходима для получения ими фундаментальных знаний в области биологии и медицины, ориентирована на человека и отвечает запросам практической медицины.
Главная цель данной работы – формирование целостного представления об основах биологии с учётом современных достижений этой быстро развивающейся отрасли науки и оказание помощи студентам - иностранцам 1 курса в усвоении теоретических знаний для достижения ими нужного уровня в познании учебного материала.
Материал данного курса лекций излагается в традиционной последовательности в соответствии с положением о теории биологических систем и представлениями об уровнях организации живой природы. Разбит материал на 16 тем и включает цитологию, молекулярную биологию, размножение и развитие организмов, общую и медицинскую генетику, теорию эволюции и антропогенез.
Изложен основной теоретический материал, изучаемый на первом курсе иностранными студентами специальности «лечебное дело», «стоматология», «фармация».
Введение в науку биология
План
1.Предмет биологии. Классификация биологических наук.
2.Методы изучения (исследования) биологии.
3.Основные свойства живых существ.
Определение понятия «жизнь».
4.Уровни организации живого.
Предмет биологии. Классификация биологических наук
Термин «биология» образуется из двух греческих слов (bios – жизнь и logos – учение).
Термин был введен в 1802 году двумя естествоиспытателями – Ж.Б.Ламарком и Г.Р.Тревиранусом, независимо друг от друга.
Биология изучает общие закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие.
Биология – комплексная наука. Разделы науки биологии классифицируются по следующим направлениям:
1) изучению систематических групп (по объектам исследования). Например, зоология, ботаника, вирусология.
В пределах этих наук имеются узкие направления (или дисциплины). Например, в зоологии выделяют протозоологию, гельминтологию, энтомологию и др.
2) изучению разных уровней организации живого: молекулярная биология, гистология и др.
3) свойствам и проявлениям жизни отдельных организмов. Например, физиология, генетика, экология.
4) связям с другими науками (в результате интеграции наук). Это биохимия, биофизика, биотехнология, радиобиология и др.
Методы изучения биологии
Основными методами, которые используются в биологических науках, являются:
1)наблюдение и описание – самый старый (традиционный) метод биологии. Этот метод широко используется и в наше время (в зоологии, ботанике, цитологии, экологии и др.)
2)сравнение, т.е. сравнительный метод дает возможность найти сходства и различия, общие закономерности в строении организмов.
3)опыт или эксперимент. Например, опыты Г.Менделя или работы И.П.Павлова в физиологии.
4)моделирование – создание определенной модели или процессов и их изучения. Например, моделирование условий и процессов (недоступных наблюдению) происхождения жизни.
5)исторический метод – изучение закономерности появления и развития организмов
Основные свойства живого
Живые существа отличаются от неживых тел целым рядом свойств. К основным свойствам живого относятся:
Специфическая организация.
Живые организмы обладают необходимыми структурами, обеспечивающими их жизнедеятельность.
Специфическая организация живых существ проявляется и в особенности химического состава. Из химических элементов большая доля приходится на кислород, углерод, водород, азот. В сумме они составляют более 98% химического состава. Эти элементы образуют в живых организмах сложные органические соединения – белки, жиры, нуклеиновые кислоты, углеводы, которые не встречаются в неживой природе.
Обмен веществ и энергии.
Организмы постоянно совершают обмен веществ и энергии с окружающей средой – это обязательное условие существования.
Обмен веществ и энергии слагается из 2х процессов:
а) синтеза или ассимиляции, или пластического обмен (с поглощением энергии).
б) распада или диссимиляции, или энергетического обмена (с выделением энергии)
Гомеостаз – поддержание постоянства внутренней среды.
В живых существах протекают сложные саморегулирующиеся процессы, которые идут в строго определенном порядке и направлены на поддержание постоянства внутренней среды (например, на постоянство химического состава). При этом организм находится в состоянии динамического равновесия (т.е. подвижного равновесия), что важно при существовании в меняющихся условиях среды.
Размножение.
Размножение – свойство организмов воспроизводить себе подобных. Каждое живое существо имеет ограниченный срок жизни, но, оставляя после себя потомство, обеспечивает непрерывность и приемственность жизни.
Способность к развитию – изменение объектов живой природы.
Индивидуальное развитие (онтогенез) – развитие особи в большинстве случаев начинается от зиготы (оплодотворенной яйцеклетки) или от деления материнской клетки до конца жизни. В ходе онтогенеза происходит рост, дифференцировка клеток, тканей, органов, взаимодействие отдельных частей. Продолжительность жизни особей ограничивается процессами старения, приводящими к смерти.
Филогенез – историческое развитие мира живых организмов.
Филогенез – это необратимое и направленное развитие живой природы, которое сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом исторического развития является разнообразие живых существ.
Раздражимость.
Раздражимость – способность организма отвечать на воздействия определенными реакциями. Формой проявления раздражимости является движение.
У растений – тропизм (например, изменение положения листьев в пространстве из-за освещенности – фототропизм).
У одноклеточных животных – таксисы.
Реакции многоклеточных на раздражение осуществляются с помощью нервной системы и называются рефлексами.
Наследственность.
Наследственность – свойство организмов передавать из поколения в поколение характерные признаки вида с помощью носителей наследственной информации, молекул ДНК и РНК.
Изменчивость.
Изменчивость – это свойство организмов приобретать новые признаки. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора.
На основании свойств живого ученые пытаются дать определение понятию «жизнь». Современному состоянию развития биологии лучше всего соответствует определение жизни, данное ученым – биофизиком М.В.Волькенштейном: «Живые тела представляют собой открытые саморегулирующиеся, самовоспроизводящиеся системы, построенные из полимеров – белков и нуклеиновых кислот и поддерживающие свое существование в результате обмена веществ и энергии с окружающей средой».
В это определение входят признаки живого. Каждая клетка и организм в целом являются системой, т.е. представляют собой совокупность взаимодействующих, упорядоченных структур (органоидов, клеток тканей, органов). Живые существа – это открытые системы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с внешней средой. Живые существа осуществляют непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой (поглощение и выделение, ассимиляция и диссимиляция).
План
1.Клеточная теория.
2.Строение клетки.
3.Эволюция клетки.
Клеточная теория.
В 1665г. Р.Гук впервые обнаружил растительные клетки. В 1674г. А.Левенгук открыл животную клетку. В 1839г. Т.Шванн и М.Шлейден сформулировали клеточную теорию. Основным положением клеточной теории было то, что клетка является структурной и функциональной основой живых систем. Но они ошибочно считали, что клетки образуются из бесструктурного вещества. В 1859г. Р.Вирхов доказал, что новые клетки образуются лишь путем деления предшествующих.
Основные положения клеточной теории:
1)Клетка является структурной и функциональной единицей всего живого. Все живые организмы состоят из клеток.
2)Все клетки в основном сходны по химическому составу и обменным процессам.
3)Новые клетки образуются путем деления уже существующих.
4)Все клетки одинаковым образом хранят и реализуют наследственную информацию.
5)Жизнедеятельность многоклеточного организма в целом обусловлена взаимодействием составляющих его клеток.
Строение клетки
По строению выделяют 2 типа клеток:
Прокариоты
Эукариоты
К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Прокариоты от эукариот отличаются следующим: у них нет мембранных органелл, имеющихся в эукариотической клетке (митохондрий, эндоплазматической сети, лизосом, комплекса Гольджи, хлоропластов).
Самое же важное отличие заключается в том, что у них нет окруженного мембраной ядра. ДНК прокариот представлена одной свернутой кольцевой молекулой. У прокариот отсутствуют и центриоли клеточного центра, поэтому они никогда не делятся митозом. Для них характерен амитоз – прямое быстрое деление.
Эукариотические клетки – это клетки одноклеточных и многоклеточных организмов. Они состоят из трех главных составных частей:
Клеточной мембраны, окружающей клетку и отделяющей ее от внешней среды;
Цитоплазмы, содержащей воду, минеральные соли, органические соединения, органеллы и включения;
Ядра, в котором находится генетический материал клетки.
Наружная клеточная мембрана
1 – полярная головка молекулы фосфолипида
2 – жирнокислотный хвост молекулы фосфолипида
3 – интегральный белок
4 – периферический белок
5 – полуинтегральный белок
6 – гликопротеин
7 - гликолипид
Наружная клеточная мембрана присуща всем клеткам (животным и растительным), имеет толщину около 7,5 (до 10) нм и состоит из молекул липидов и белка.
В настоящее время распространена жидкостно-мозаичная модель построения клеточной мембраны. Согласно этой модели молекулы липидов расположены в два слоя, причем своими водоотталкивающими концами (гидрофобными – жирорастворимыми) они обращены друг к другу, а водорастворимыми (гидрофильными) – к периферии. В липидный слой встроены белковые молекулы. Некоторые из них находятся на внешней или внутренней поверхности липидной части, другие – частично погружены или пронизывают мембрану насквозь.
Функции мембран:
Защитная, пограничная, барьерная;
Транспортная;
Рецепторная – осуществляется за счет белков – рецепторов, которые обладают избирательной способностью к определенным веществам (гормонам, антигенам и др.), вступают с ними в химические взаимодействия, проводят сигналы внутрь клетки;
Участвуют в образовании межклеточных контактов;
Обеспечивают движение некоторых клеток (амебовидное движение).
У животных клеток сверху наружной клеточной мембраны имеется тонкий слой гликокаликса. Это комплекс углеводов с липидами и углеводов с белками. Гликокаликс участвует в межклеточных взаимодействиях. Точно такое же строение имеют цитоплазматические мембраны большинства органелл клетки.
У растительных клеток снаружи от цитоплазматической мембраны. расположена клеточная стенка, состоящая из целлюлозы.
Транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану.
Существуют два основных механизма для поступления веществ в клетку или выхода из клетки наружу:
1.Пассивный транспорт.
2.Активный транспорт.
Пассивный транспорт веществ происходит без затраты энергии. Примером такого транспорта является диффузия и осмос, при которых движение молекул или ионов осуществляется из области с высокой концентрацией в область с меньшей концентрацией, например, молекул воды.
Активный транспорт – при этом виде транспорта молекулы или ионы проникают через мембрану против градиента концентрации, для чего необходима энергия. Примером активного транспорта служит натрий-калиевый насос, который активно выкачивает натрий из клетки и поглощает ионы калия из внешней среды, перенося их в клетку. Насос – это особый белок мембраны, приводит его в движение АТФ.
Активный транспорт обеспечивает поддержание постоянства объема клетки и мембранного потенциала.
Транспорт веществ может осуществляться путем эндоцитоза и экзоцитоза.
Эндоцитоз – проникновение веществ в клетку, экзоцитоз – из клетки.
При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивание или выросты, которые затем обволакивают вещество и отшнуровываясь, превращаются в пузырьки.
Различают два типа эндоцитоза:
1)фагоцитоз- поглощение твердых частиц (клетки фагоциты),
2)пиноцитоз – поглощение жидкого материала. Пиноцитоз характерен для амебоидных простейших.
Путем экзоцитоза различные вещества выводятся из клеток: из пищеварительных вакуолей удаляются непереваренные остатки пищи, из секреторных клеток выводится их жидкий секрет.
Цитоплазма – (цитоплазма + ядро образуют протоплазму). Цитоплазма состоит из водянистого основного вещества (цитоплазматический матрикс, гиалоплазма, цитозоль) и находящихся в нем разнообразных органелл и включений.
Включения– продукты жизнедеятельности клеток. Выделяют 3 группы включений – трофического, секреторного (клетки желез) и специального (пигмент) значения.
Органеллы – это постоянные структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке определенные функции.
Выделяют органеллы общего значения и специальные. Специальные встречаются в большинстве клеток, но в значительном количестве присутствуют только в клетках, выполняющих определенную функцию. К ним относятся микроворсинки эпителиальных клеток кишечника, реснички эпителия трахеи и бронхов, жгутики, миофибриллы (обеспечивающие сокращение мышц и др.).
К органеллам общего значения относят ЭПС, комплекс Гольджи, митохондрии, рибосомы, лизосомы, центриоли клеточного центра, пероксисомы, микротрубочки, микрофиламенты. В растительных клетках – пластиды, вакуоли. Органеллы общего значения можно подразделить на органеллы, имеющие мембранное и немембранное строение.
Органеллы, имеющие мембранное строение бывают двумембранные и одномембранные. К двумембранным относят митохондрии и пластиды. К одномембранным – эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, вакуоли.
Органеллы, не имеющие мембран: рибосомы, клеточный центр, микротрубочки, микрофиламенты.
Митохондрии– это органеллы округлой или овальной формы. Они состоят из двух мембран: внутренней и наружной. Внутренняя мембрана имеет выросты – кристы, которые разделяют митохондрию на отсеки. Отсеки заполнены веществом – матриксом. В матриксе содержатся ДНК, иРНК, тРНК, рибосомы, соли кальция и магния. Здесь происходит автономный биосинтез белка. Основной же функцией митохондрий является синтез энергии и накопления ее в молекулах АТФ. Новые митохондрии образуются в клетке в результате деления старых.
Пластиды– органеллы, встречающиеся преимущественно в растительных клетках. Они бывают трех типов: хлоропласты, содержащие пигмент зеленого цвета; хромопласты (пигменты красного, желтого, оранжевого цвета); лейкопласты (бесцветные).
Хлоропласты благодаря зеленому пигменту хлорофиллу, способны синтезировать органические вещества из неорганических, используя энергию солнца.
Хромопласты придают яркую окраску цветам и плодам.
Лейкопласты способны накапливать запасные питательные вещества: крахмал, липиды, белки и др.
Эндоплазматическая сеть(ЭПС) представляет собой сложную систему вакуолей и каналов, которые ограничены мембранами. Различают гладкую (агранулярную) и шероховатую (гранулярную) ЭПС. Гладкая не имеет на своей мембране рибосом. В ней происходит синтез липидов, липопротеидов, накопление и выведение из клетки ядовитых веществ. Гранулярная ЭПС имеет рибосомы на мембранах, в которых синтезируются белки. Затем белки поступают в комплекс Гольджи, а оттуда наружу.
Комплекс Гольджи (аппарат Гольджи) представляет собой стопку уплощенных мембранных мешочков – цистерн и связанную с ними систему пузырьков. Стопка цистерн называется диктиосома.
Функции комплекса Гольджи: модификация белков, синтез полисахаридов, транспорт веществ, формирование клеточной мембраны, образование лизосом.
Лизосомы– представляют собой окруженные мембраной пузырьки, содержащие ферменты. Они осуществляют внутриклеточное расщепление веществ и подразделяются на первичные и вторичные. Первичные лизосомы содержат ферменты в неактивной форме. После попадания в органеллы различных веществ происходит активация ферментов и начинается процесс переваривания – это вторичные лизосомы.
Пероксисомы имеют вид пузырьков, ограниченных одной мембраной. Они содержат ферменты, которые расщепляют токсичную для клеток перекись водорода.
Вакуоли– это органеллы клеток растений, содержащие клеточный сок. В клеточном соке могут находиться запасные питательные вещества, пигменты, отходы жизнедеятельности. Вакуоли участвуют в создании тургорного давления, в регуляции водно – солевого обмена.
Рибосомы– органеллы, состоящие из большой и малой субъединиц. Могут находиться или на ЭПС или же располагаться свободно в клетке, образуя полисомы. Они состоят из рРНК и белка и образуются в ядрышке. В рибосомах происходит биосинтез белка.
Клеточный центр– встречается в клетках животных, грибов, низших растений и отсутствует у высших растений. Он состоит из двух центриолей и лучистой сферы. Центриоль имеет вид полого цилиндра, стенка которого состоит из 9 триплетов микротрубочек. При делении клетки образуют нити митотического веретена, обеспечивающие расхождение хроматид в анафазе митоза и гомологичных хромосом при мейозе.
Микротрубочки– трубчатые образования различной длины. Входят в состав центриолей, митотического веретена, жгутиков, ресничек, выполняют опорную функцию, способствуют перемещению внутриклеточных структур.
Микрофиламенты– нитчатые тонкие образования, расположенные по всей цитоплазме, но особенно много их под клеточной оболочкой. Вместе с микротрубочками образуют цитоскелет клетки, обусловливают ток цитоплазмы, внутриклеточные перемещения пузырьков, хлоропластов и др. органелл.
Эволюция клетки
Существуют два этапа в эволюции клетки:
1.Химический.
2.Биологический.
Химический этап начался около 4,5 млрд лет назад. Под действием ультрафиолетового излучения, радиации, грозовых разрядов (источники энергии) происходило образование сначала простых химических соединений – мономеров, а затем более сложных – полимеров и их комплексов (углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот).
Биологический этап образования клеток начинается с появления пробионтов – обособленных сложных систем, способных к самовоспроизведению, саморегуляции и естественному отбору. Пробионты появились 3-3,8 млрд. лет назад. От пробионтов произошли первые прокариотические клетки – бактерии. Эукариотические клетки произошли от прокариот (1-1,4 млрд. лет назад) двумя путями:
1)Путем симбиоза нескольких прокариотических клеток – это симбиотическая гипотеза;
2)Путем инвагинации клеточной мембраны. Суть инвагинационной гипотезы заключается в том, что прокариотическая клетка содержала несколько геномов, прикрепленных к клеточной оболочке. Затем происходила инвагинация – впячивание, отшнуровка клеточной мембраны, и эти геномы превращались в митохондрии, хлоропласты, ядро.
Дифференциация и специализация клеток.
Дифференциация – это формирование различных типов клеток и тканей в ходе развития многоклеточного организма. Одна из гипотез связывает дифференцировку с экспрессией генов в процессе индивидуального развития. Экспрессия – процесс включения тех или иных генов в работу, который создает условия для направленного синтеза веществ. Поэтому происходит развитие и специализация тканей в том или ином направлении.
План
1.Строение и функции клеточного ядра.
2.Хроматин и хромосомы.
3.Клеточный и митотический циклы клетки.
4.Пролиферация клеток.
Строение и функции клеточного ядра.
Ядро – обязательная часть эукариотической клетки. Главная функция ядра – хранение генетического материала в форме ДНК и передача ее дочерним клеткам при клеточном делении. Кроме того, ядро управляет белковыми синтезами, контролирует все процессы жизнедеятельности клетки. (в растительной клетке ядро описал Р.Броун в 1831г., в животной – Т.Шванн в 1838г.)
Большинство клеток имеет одно ядро, обычно округлой формы, реже неправильной формы.
Размеры ядра колеблются от 1мкм (у некоторых простейших) до 1мм (в яйцеклетках рыб, земноводных).
Встречаются двуядерные клетки (клетки печени, инфузорий) и многоядерные (в клетках поперечно – полосатых мышечных волокон, а так же в клетках ряда видов грибов и водорослей).
Некоторые клетки (эритроциты) – безъядерные, это редкое явление, носит вторичный характер.
В состав ядра входят:
1)ядерная оболочка;
2)кариоплазма;
3)ядрышко;
4)хроматин или хромосомы. Хроматин находится в неделящемся ядре, хромосомы – в митотическом ядре.
Оболочка ядра состоит из двух мембран (наружной и внутренней). Наружная ядерная мембрана соединяется с мембранными каналами ЭПС. На ней располагаются рибосомы.
В мембранах ядра имеются поры (3000-4000). Через ядерные поры происходит обмен различными веществами между ядром и цитоплазмой.
Кариоплазма (нуклеоплазма) представляет собой желеобразный раствор, который заполняет пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). Она содержит ионы, нуклеотиды, ферменты.
Ядрышко, обычно шаровидной формы (одно или несколько), не окружено мембраной, содержит фибриллярные белковые нити и РНК.
Ядрышки – не постоянные образования, они исчезают в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания. Ядрышки имеются только в неделящихся клетках. В ядрышках происходит формирование рибосом, синтез ядерных белков. Сами же ядрышки образуются на участках вторичных перетяжек хромосом (ядрышковых организаторах). У человека ядрышковые организаторы находятся на 13,14,15,21 и 22 хромосомах.
Хроматин и хромосомы
Хроматин – это деспирализованная форма существования хромосом. В деспирализованном состоянии хроматин находится в ядре неделящейся клетке.
Хроматин и хромосомы взаимно переходят друг в друга. По химической организации как хроматин, так и хромосомы не отличаются. Химическую основу составляет дезоксирибонуклеопротеин – комплекс ДНК с белками. С помощью белков происходит многоуровневая упаковка молекул ДНК, при этом хроматин приобретает компактную форму. Например, в деспирализованном (вытянутом) состоянии длина молекулы ДНК хромосомы человека достигает около 6 см, что примерно в 1000 раз превышает диаметр ядра клетки. Несмотря на то, что в неделящихся клетках хроматин находится в деспирализованном состоянии, тем не менее отдельные его участки спирализованы, т.е. хроматин неоднороден по структуре.
Спирализованные участки хроматина называются гетерохроматин, а деспирализованные – эухроматин. На участках эухроматина идут процессы транскрипции (синтез иРНК).
Гетерохроматин – неактивный участок хроматина, здесь не происходит транскрипции.
В начале клеточного деления хроматин скручивается (спирализуется) и образует хромосомы, которые хорошо различимы в световой микроскоп. Значит, хромосома – суперспирализованный хроматин. Спирализация достигает своего максимума в метафазе митоза. Каждая метафазная хромосома состоит их двух сестринских хроматид. Хроматиды содержат одинаковые молекулы ДНК, которые образуются при удвоении (репликации) ДНК в синтетический период интерфазы. Хроматиды соединены друг с другом в области первичной перетяжки – центромеры. Центромеры делят хромосомы на два плеча. В зависимости от места расположения центромеры различают следующие типы хромосом:
1) метацентрические (равноплечие);
2) субметацентрические (неравноплечие);
3) акроцентрические (палочковидные);
4) спутничные (имеют вторичную перетяжку, которая отделяет небольшой участок хромосомы, называемый спутником).
Число, величина и форма хромосом в ядрах клеток являются важными знаками каждого вида. Набор хромосом соматических клеток данного вида называется кариотипом.
Жизненный цикл клетки
G1 – пресинтетический период
S – синтетический период
G2 – постинтетический период
G0 – период пролиферативного покоя
Клеточным циклом или жизненным циклом клетки называется совокупность процессов, происходящих в клетке от 1-го деления (появление ее в результате деления) до следующего деления или до смерти клетки.
Митотический цикл – период подготовки клетки к делению и само деление. Митотический цикл клетки состоит из интерфазы и митоза. Интерфаза разделена на 3 периода:
1. Пресинтетический или постмитотический.
2. Синтетический.
3. Постсинтетический или премитотический.
Продолжительность митотического цикла составляет от 10 до 50 часов. В пресинтетический период клетка выполняет свои функции, увеличивается в размерах, т.е. активно растет, увеличивается количество митохондрий, рибосом, идет синтез белков, нуклеотидов, накапливается энергия в виде АТФ, синтезируется РНК.
Хромосомы представляют собой тонкие хроматиновые нити, каждая состоит из одной хроматиды. Содержание генетического материала в клетке обозначают следующим образом: с - количество ДНК в одной хроматиде, n – набор хромосом.
Клетка в G 1 содержит диплоидный набор хромосом, каждая хромосома имеет одну хроматиду (2с ДНК 2n хромосом).
В S- периоде происходит репликация молекул ДНК и их содержание в клетке удваивается, каждая хромосома становится двухроматидной (т.е. хроматида достраивает себе подобную). Генетический материал становится 4с2п, центриоли клетки тоже удваиваются.
Продолжительность S- периода у млекопитающих 6-10 часов. Клетка продолжает выполнять свои специфические функции.
В G 2 - периоде клетка готовится к митозу: накапливается энергия, затухают все синтетические процессы, клетка прекращает выполнять основные функции, накапливаются белки для построения веретена деления. Содержание генетической информации не изменяется (4с2n). Продолжительность этого периода 3-6 часов.
Митоз – это непрямое деление, основной способ деления соматических клеток.
Митоз – непрерывный процесс и условно делится на 4 стадии: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Наиболее продолжительны первая и последняя. Длительность митоза 1-2 часа.
1. Профаза. В начале профазы центриоли расходятся к полюсам клетки, от центриолей начинают формироваться микротрубочки, которые тянутся от одного полюса к другому и по направлению к экватору клетки, образуя веретено деления. К концу профазы растворяются ядрышки, ядерная оболочка. К центромерам хромосом прикрепляются нити веретена деления, хромосомы спирализуются и устремляются к центру клетки. Содержание генетической информации при этом не изменяется (4с2n).
2.Метафаза. Длительность 2-10 мин. Короткая фаза, хромосомы располагаются на экваторе клетки, причем центромеры всех хромосом располагаются в одной плоскости – экваториальной. Между хроматидами появляются щели. В области центромер с двух сторон имеются небольшие дисковидные структуры – кинетохоры. От них так же, как и от центриолей отходят микротрубочки, которые располагаются между нитями веретена деления.
Существует точка зрения, что именно кинетохорные микротрубочки заставляют центромеры всех хромосом выстраиваться в области экватора. Это стадия наибольшей спирализации хромосом, когда их удобнее всего изучать. Содержание генетической информации при этом не изменяется (4с2n).
3. Анафаза длится 2-3 минуты, самая короткая стадия. В анафазе происходит расщепление центромер и разделение хроматид. После разделения одна хроматида (сестринская хромосома) начинает двигаться к одному полюсу, а другая половина – к другому.
Предполагается, что движение хроматид обусловлено скольжением кинетохорных трубочек по микротрубочкам центриолей. Именно микротрубочки генерируют силу, обуславливающую расхождение хроматид. По другой версии, нити веретена деления плавятся и увлекают за собой хроматиды.
В клетке находится два диплоидных набора хромосом- 4с4n (у каждого полюса 2с2n).
4. Телофаза. В телофазу формируются ядра дочерних клеток, хромосомы деспирализуются, строятся ядерные оболочки, в ядре появляются ядрышки.
Цитокинез – деление цитоплазмы, происходит в конце телофазы.
В животных клетках цитоплазматическая мембрана впячивается внутрь. Клеточные мембраны смыкаются, полностью разделяя две клетки. В растительных клетках из мембран пузырьков Гольджи образуется клеточная пластинка, расположенная в экваториальной плоскости. Клеточная пластинка, разрастаясь полностью, разделяет две дочерние клетки. В каждой клетке 2с 2n.
Митоз
Значение митоза.
1.Поддержание постоянства числа хромосом. Митоз – наследственно равное деление.
Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении сестринских хромосом между дочерними клетками, что обеспечивает образование генетически равноценных клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений.
2. Обеспечивание роста организма.
3.Замещение изношенных клеток, поврежденных тканей, регенерацию утраченных частей.
Так, у человека замещаются клетки кожи, эпителий кишечника, эпителий легких, клетки крови – всего в день 1011 клеток.
4. Митоз лежит в основе бесполого размножения.
Амитоз - прямое деление клетки путем перешнуровки ядра без спирализации чивается равномерное распределение генетического материала между дочерними ядрами. После амитотического деления клетки не могут митотически делиться. Амитозом делятся клетки при воспалительных процессах, злокачественном росте. Амитоз встречается в клетках некоторых специализированных тканей, например, в поперечно – полосатой мускулатуре, соединительной ткани.
Пролиферация клеток
Пролиферация - увеличение числа клеток путем митоза, которое приводит к росту и обновлению ткани. Интенсивность пролиферации регулируется веществами, которые вырабатываются как внутри клеток, так и вдали от клеток. Современные данные свидетельствуют о том, что одним из регуляторов пролиферации на клеточном уровне являются кейлоны. Кейлоны – гормоноподобные вещества, являющиеся полипептидами или гликопротеинами. Они образуются всеми клетками и внутри клеток высших организмов, обнаружены в различных жидкостях организма, в том числе и в моче. Кейлоны подавляют митотическую активность клеток. Так же они участвуют в регуляции роста тканей, заживлении ран, иммунных реакциях.
Гормональные механизмы – дистантные регуляторы пролиферации на организменном уровне. Например, уровень эритроцитов в высокогорных районах повышается за счет секреции в специализированных клетках почек гормона эритропоэтина. У жителей высокогорья количество эритроцитов больше, чем у людей, живущих на равнине.
Кроме того, существуют гипотезы о причинах, побуждающих клетку делиться. Например:
- объемная – клетка, достигнув определенного объема, делится. Изменяются ядерно–цитоплазматические отношения (от 1/6 до 1/69),
- гипотеза «митогенетических лучей». Делящиеся клетки стимулируют к митозу расположенные рядом клетки,
- гипотеза «раневых гормонов» . Поврежденные клетки выделяют особые вещества, способствующие митозу неповрежденных клеток.
Размножение организмов
План
1. Формы размножения живых организмов.
2. Гаметогенез.
Гаметогенез
Гаметогенез-развитие половых клеток - гамет. Развитиемужских половых клеток называется - сперматогенез , а женских – овогенез.
Сперматогенез
Овогенез (оогенез)
Cellules germinales primordiales- первичная зачатковая клетка; Ovogonie- овогонии; Ovocyte de premier ordre – овоцит первого порядка; Meiose 1 – мейоз 1; Ovocyte de deuxieme ordre –овоцит второго порядка; Premier globule polaire-первое направительное тельце; Meiose 11- мейоз 11; Second globule polaire- второе направительное тельце; Ovule (haploide)– яйцеклетка (гаплоидная); Ovaire-яичник; Follicule primaire-растущий фолликул; Follicule a maturite –зрелый фолликул; Ovulation- овуляция; Follicule rompu-разорвавшийся фолликул; Corps jaune- желтое тело.
Овогенез протекает в яичнике и включает периоды размножения, роста, созревания. В период размножения из зачатковых клеток гонобластов путем митозов увеличивается число диплоидных половых клеток – овогоний. Этот период завершается до рождения. Большая часть клеток гибнет.
Период роста – объем клеток увеличивается в сотни раз за счет накопления желтка и образуется овоцит I порядка. Происходит репликация ДНК (4с 2n).
Овоциты I порядка вступают в профазу I деления мейоза. Эта фаза у человека длится до полового созревания. С момента полового созревания происходит завершение первого деления мейоза и образуется маленькая клетка – направительное тельце и крупный овоцит II порядка (2с 1n). После второго деления мейоза овоцит II порядка снова делится и образуется 1 овотида (гаплоидная яйцеклетка) и направительное тельце. Первое направительное тельце тоже делится на два. Образующиеся направительные клетки затем исчезают.
Науки изучающие биологию
Акарология - наука изучающая клещей.
Анатомия - раздел биологии и конкретно морфологии, изучающий строение тела организмов и их частей на уровне выше клеточного.
Альголо́гия - раздел биологии, изучающий водоросли. Ранее все водоросли относили к растениям, а потому альгологию рассматривали как раздел ботаники.
Антропология - биологическая наука о происхождении и эволюции физической организации человека и человеческих рас.
Арахналогия наука изучающая пауков.
Бактериология (от греч. bakteria- палочка и logos-слово), наука о мельчайших, невидимых простым глазом.
Биогеография – это наука о географическом распространении и размещении на Земле организмов и их сообществ.
Биоинформа́тика - совокупность методов и подходов, включающих в себя: математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике (геномнаябиоинформатика).
Биометрия предполагает систему распознавания людей по одной или более физических или поведенческих черт. В области информационных технологий биометрические данные используются в качестве формы управления идентификаторами доступа и контроля доступа.
Био́ника (от др.-греч. βίον - живущее) - прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги.
Биоспелеология, спелеобиология - раздел биологии, занимающийся изучением организмов, обитающих в пещерах.
Биофизика - это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации, и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов, и биологическими особенностями их жизнедеятельности.
Биохи́мия (биологи́ческая, или физиологи́ческая хи́мия) - наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности.
Ботаника - наука о растениях.
Биомеха́ника - раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления.
Биоценология (от биоценоз и …логия), центральный раздел экологии, изучающий закономерности жизни организмов в биоценозах, их популяционную структуру, потоки энергии и круговорот веществ.
Бриология (греч., от bryon - мох, и logos - слово) наука изучающая мхи.
Вирусология - раздел микробиологии, изучающий вирусы (от латинского слова virus - яд).
Гельмитология - наука изучающая глисты.
Гене́тика - наука о закономерностях наследственности и изменчивости.
Геоботаника - раздел биологии на стыке ботаники, географии и экологии. Это наука о растительности Земли, о совокупности растительных сообществ (фитоценозов), их составе, структуре.
Герпетология. (от греч. herpeton - пресмыкающееся и...логия), раздел зоологии, изучающий пресмыкающихся и земноводных.
Гидробиология - наука о жизни и биологических процессах в воде, одна из биологических дисциплин.
Гистоло́гия - раздел биологии, изучающий строение, жизнедеятельность и развитие тканей живых организмов.
Дендрология" - раздел ботаники, предметом изучения которого являются древесные растения: помимо деревьев, это также кустарники, полукустарники, кустарнички, древовидные лианы, а также стелющееся древесные растения.
Зоология (от др.-греч. ζῷον - животное + λόγος - учение) - биологическая наука, изучающая представителей царства животных. Зоология изучает физиологию, анатомию, эмбриологию, экологию, филогению животных.
Ихтиология (от греч. ichthýs - рыба и...Логия) раздел зоологии позвоночных, изучающий рыб, их строение, функции их органов, образ жизни на всех стадиях развития, распространение рыб во времени и пространстве, их систематику, эволюцию.
Колеоптероло́гия (от Coleoptera, Жуки, и греч. -λογία, …логия) - раздел энтомологии, изучающий жуков (насекомых из отряда жёсткокрылых, лат. Coleoptera).
Ксенобиология - подраздел синтетической биологии, изучающий создание и управление биологическими устройствами и системами.
Лепидоптерология - раздел энтомологии, изучающий представителей отряда Чешуекрылые насекомые (бабочки).
Лихеноло́гия (от греч. λειχήν - лишай, лишайник) - наука о лишайниках, раздел ботаники.
Миколо́гия (от др.-греч. μύκης - гриб) - раздел биологии, наука о грибах.
Мирмеколо́гия (от др.-греч. μύρμηξ «муравей» и λόγος «учение») - наука, изучающая муравьёв.
Палеонтоло́гия (от др.-греч. παλαιοντολογία) - наука об организмах, существовавших в прошлые геологические периоды и сохранившихся в виде ископаемых останков, а также следов их жизнедеятельности.
Палиноло́гия - комплекс отраслей наук (в первую очередь, ботаники), связанных с изучением пыльцевых зёрен и спор.
Радиационная биология или радиобиология - наука, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты.
Систематика в биологии - это наука, которая классифицирует организмы на основе их внешнего сходства и родства.
Спонгиология наука о губках.
Таксоно́мия - учение о принципах и практике классификации и систематизации.
Териоло́гия - раздел зоологии, изучающий млекопитающих.
Токсиколо́гия - наука, изучающая ядовитые (токсичные) вещества, потенциальную опасность их воздействия на организмы и экосистемы, механизмы токсического действия, а также методы диагностики.
Феноло́гия (от греч. φαινόμενα - явления) - система знаний и совокупность сведений о сезонных явлениях природы, сроках их наступления и причинах, определяющих эти сроки.
Физиоло́гия (от греч. φύσις - природа и λόγος - знание) - наука о сущности живого, жизни в норме и при патологиях, то есть о закономерностях функционирования и регуляции биологических систем разного уровня организации.
Фитопатология (фито - растение и патология) - наука о болезнях растений, вызванных патогенами (инфекционные болезни) и экологическими факторами (физиологические факторы).
Цитоло́гия (греч. κύτος «клетка» и λόγος - «учение», «наука») - раздел биологии, изучающий живые клетки, их органоиды, их строение, функционирование, процессы клеточного размножения, старения и смерти.
Биологическая эволю́ция (от лат. evolutio - «развёртывание») - естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций.
Эмбриология - это наука, изучающая развитие зародыша: эмбриогенез.
Эндокриноло́гия - наука о строении и функции желез внутренней секреции (эндокринных желез), вырабатываемых ими продуктах (гормонах), о путях их образования и действия на организм животных и человека; а также о заболеваниях.
Энтомология - раздел зоологии, изучающий насекомых.
Этоло́гия - полевая дисциплина зоологии, изучающая генетически обусловленное поведение (инстинкты) животных, в том числе людей.
Биологические науки и изучаемые ими аспекты. Анатомия – наука о внутреннем строении организма. Генетика – о наследственности и изменчивости. Эмбриология – наука о зародышевом развитии организма. Гистология – наука о строении тканей. Цитология –наука о строении жизнедеятельности клетки. Морфология – наука о внешнем строении организма. Физиология – наука, изучающая процессы жизнедеятельности. Зоология – наука о животных. Ботаника – наука о растениях. Микробиология - наука о бактериях и вирусах.
Слайд 7 из презентации «Биология» . Размер архива с презентацией 1990 КБ.Биология 10 класс
краткое содержание других презентаций«Методы размножения» - Размножение спорами. Размножение делением. Образование половых клеток. Виды бесполого размножения. Спорообразование. Половое размножение. Идентичные исходному организму особи. Бесполое размножение. Вегетативное размножение. Размножение. Возможность комбинировать генетический материал. Исчезновение полового размножения.
«Теории возникновения живого» - Мой лучший урок. Схема перехода химической эволюции. Туманность. Проблема природы. Теории происхождения. Правила судейской этики. История представлений. Этапы появления Солнечной системы. Структура урока. История представлений о возникновении жизни. Работа групп на уроке. Работа судей. Гипотезы возникновения жизни. Материя. Этап урока. Современные гипотезы. Дебаты. Регламент игры. Дополнительный вопрос.
«Неорганические соединения клетки» - Химические элементы клетки. Химический состав клетки. Функции воды. Полярность мембран живых клеток. Входит в состав воды. Компонент белков. Состав плазмы крови. Задание. Химические вещества. Отметьте свойства воды. Выделите характерные свойства. Свойства воды. Макроэлементы. Вещества. Диполь-структура.
«Проблемы возникновения жизни на Земле» - Возникновение многоклеточных организмов. Условия для возникновения примитивных живых существ. История углерода. Коацерватные капельки. Возникновение первичных организмов. Работы Л.Пастера. Теории происхождения жизни. Развитие жизни. Истории представлений о возникновении жизни. Возникновение жизни на Земле. От углерода к белкам. Представления древних и средневековых философов. Возраст Земли. Возможность возникновения сложных органических соединений.
«Динамика популяций» - Одноклеточная амеба каждые три часа делится на две клетки. Редкие виды. Словарь. Кривые выживания. Математическое и компьютерное моделирование. Закон Мальтуса. Модели развития популяций. Экологическая стратегия. Модель «хищник – жертва». Антропогенное воздействие на типы роста. Типы роста численности. Графики изменения численности популяций. План урока. R-стратеги. Плотность популяции. У каких видов стабильная динамика численности в популяциях.
«Вирусы в организме» - Из-за высокой мутабельности вирусов лечение вирусных заболеваний довольно сложно. Вирусные заболевания. Строение и классификация вирусов. Вирусы являются возбудителями многих опасных болезней человека, животных и растений. Вирусы обладают наследственностью.. Первое упоминание об оспе в России относится к ЧV веку. Попытки использовать вирусы на пользу человечеству довольно немногочисленны. Как и другие организмы, вирусы способны к размножению.
Первая крупная биологическая наука – ботаника. Она занимается изучением растений. Ботаника делится на множество дисциплин, которые также можно считать биологическими. Альгология . Анатомия растений изучает строение тканей и клеток растений, а также по каким законам развиваются эти ткани. Бриология изучает мохообразные растения, дендрология – древесные. Карпология изучает семена и плоды растений.
Лихенология – наука о лишайниках. Микология – о грибах, микогеоргафия – об их распространении. Палеоботаника – раздел ботаники, который изучает ископаемые останки растений. Палинология изучает пыльцевые зерна и споры растений. Наука систематика растений занимается их классификацией. Фитопатология изучает различные болезни растений, вызванные патогенными и экологическими факторами. Флористика изучает флору, исторически сложившуюся на определенной территории совокупность растений.
Наука этноботаника изучает взаимодействие людей и растений. Геоботаника – наука о растительности Земли, о растительных сообществах – фитоценозах. География растений изучает закономерности их распространения. Морфология растений – наука о закономерностях . Физиология растений – о функциональной активности организмов растений.
Зоология и микробиология
Ихтиология – наука о рыбах, карцинология – о ракообразных, кетология – о китообразных, конхиология – о моллюсках, мирмекология – о муравьях, нематология – о круглых червях, оология – о яйцах животных, орнитология – о птицах. Палеозоология изучает ископаемые останки животных, планктология – планктон, приматология – приматов, териология – млекопитающих, – насекомых, протозоология – одноклеточных. Этология занимается изучением .
Третий крупный раздел биологии – микробиология. Эта наука изучает невидимые невооруженным глазом живые организмы: бактерии, археи, микроскопические грибы и водоросли, вирусы. Соответственно выделяются и разделы: вирусология, микология, бактериология и т.д.
Биология - это наука, изучающая живые организмы. Она раскрывает закономерности жизни и ее развития как особого явления природы.
Среди других наук биология является фундаментальной дисциплиной, относится к ведущим разделам естествознания.
Термин «биология» состоит из двух греческих слов: «биос» – жизнь, «логос» – учение, наука, понятие.
Впервые был употреблен для обозначения науки о жизни в начале XIX. Это сделали независимо друг от друга Ж.-Б. Ламарк и Г. Тревиранус, Ф. Бурдах. В это время биология обособляется из естественных наук.
Биология изучает жизнь во всех ее проявлениях. Предметом биологии являются строение, физиология, поведение, индивидуальное и историческое развитие организмов, их взаимосвязь между собой и окружающей средой. Поэтому биология представляет собой систему, или комплекс, наук, во многом взаимосвязанных. Различные биологические науки возникали на протяжении истории развития науки в следствии обособления различных областей изучения живой природы.
В качестве крупных разделов биологии выделяют зоологию, ботанику, микробиологию, вирусологию и др. как науки, изучающие различные по ключевым моментам строения и жизнедеятельности группы живых организмов. С другой стороны, изучение общих закономерностей живых организмов привело к появлению таких наук как генетика, цитология, молекулярная биология, эмбриология и др. Изучение строения, функциональности, поведения живых существ, их взаимоотношений и исторического развития породило морфологию, физиологию, этологию, экологию, эволюционное учение.
Общая биология изучает наиболее универсальные свойства, закономерности развития и существования живых организмов и экосистем.
Таким образом, биология - это система наук .
Бурное развитие в биологии наблюдалось во второй половине XX века. Это в первую очередь было связано с открытиями в области молекулярной биологии.
Несмотря на свою богатую историю , и в настоящее время в биологических науках продолжают совершаться открытия, ведутся дискуссии, пересматриваются многие концепции.
В биологии особое внимание уделяется клетке (так как она является основной структурно-функциональной единицей живых организмов), эволюции (так как жизнь на Земле претерпевала развитие), наследственности и изменчивости (лежащих в основе преемственности и приспособляемости жизни).
Выделяют ряд последовательных уровней организации жизни: молекулярно-генетический, клеточный, организменный, популяционно-видовой, экосистемный. На каждом из них жизнь проявляется по-своему, что изучается соответствующими биологическими науками.
Значение биологии для человека
Для человека биологические знания в первую очередь имеют следующее значение:
- Обеспечение человечества питанием.
- Экологическое значение – контроль за окружающей средой, чтобы она была пригодной для нормальной жизни.
- Медицинское значение – увеличение продолжительности и качества жизни, борьба с инфекциями и наследственными заболеваниями, разработка лекарств.
- Эстетическое, психологическое значение.
Человека можно рассматривать как один из результатов развития жизни на Земле. Жизнь людей все еще находится в сильной зависимости от общебиологических механизмов жизнедеятельности. Кроме того, человек влияет на природу и сам испытывает на себе ее воздействие.
Деятельность человека (развитие промышленности и сельского хозяйства), рост народонаселения стали причиной экологических проблем на планете. Происходит загрязнение окружающей среды, разрушение природных сообществ.
Для разрешения экологических проблем необходимо понимание биологических закономерностей.
Кроме того, многие разделы биологии имеют значение для здоровья человека (медицинское значение). Здоровье людей находится в зависимости от наследственности, среды жизни и образа жизни. С этой точки зрения наиболее важны такие разделы биологии как наследственность и изменчивость, индивидуальное развитие, экология, учения о биосфере и ноосфере.
Биология решает задачи обеспечения людей продуктами питания, лекарствами. Биологические знания лежат в основе развития сельского хозяйства.
Таким образом, высокий уровень развития биологии является необходимым условием благополучия человечества.