Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
ОДЕСЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ КОЛЕДЖ
ЗАТВЕРДЖУЮ
заст. директора з НР
____________ В.І.Уманська
"___" ___________2010р.
Методичні вказівки та запитання
для підготовки студентів І курсу
до семінарських заннять з предмету:
“Біологія”
Викладач Дьякова Т.В.
РОЗГЛЯНУТО
предметною комісією
протокол №
від “ ” 2010р.
Голова комісії Швець Л.І.
2010р.
ОДЕСЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ КОЛЕДЖ
ОДЕСЬКОЇ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Для підготовки студентів I курсу до семінарських занять з предмету: «Біологія»
м. Одеса - 2010
Автор: Дьякова Т.В., викладач коледжу
Рецензент: Швець Л.І., викладач коледжу, голова циклової комісії хімічних дисціплін
Відповідальний за випуск: Стрельнікова І.А., методист коледжу
Оператор: Янчук Л.В.
ВСТУП
При вивченні біології студенти І курсу зустрічаються з проблемою при підготовці до семінарських занятть в зв’язку з переходом до лекціонно-семінарського методу навчання. Семінарські заняття включають об’ємні теми, які частично вивчаються студентами самостійно.
Методичні вказівки містять основну інформацію з вивчаємих тем, що дає можливість студентам І курсу більш досконало підготуватися до семінарського заняття, а перелік питань дає можливість студентам перевірити свої знання з вивчаємої теми.
Методичні вказівки також містять ряд запитань для розвитку логічного мислення студентів та вміння розв’язувати проблемні питання.
Семінар № 1.
Тема: Єдність хімічного складу живих організмів.
Мета. Опанувавши цю тему, студенти дізнаються про: хімічний склад живих істот і молекулярний рівень організації живої матерії, властивості й функції основних класів хімічних сполук живих систем.
Методичні вказівки.
Живі організми, на відміну від неживої природи, мають відносно стале співвідношення хімічних елементів, які поділяють за процентним вмістом у клітині на органогенні, макро-, мікро- та ультрамікроелементи.Всі хімічні елементи, виявлені в живих клітинах, присутні й у неживій природі.
Серед неорганічних сполук живих організмів особливе місце належить воді, яка становить у середньому 60 – 70% їхньої маси. Вода є універсальним розчинником, бере участь у біохімічних процесах, регулює тепловий режим, забезпечує транспорт речовин крізь мембрани, а також сталість фізико-хімічних властивостей цитоплазми клітини та позаклітинних рідин.
З неорганічних сполук до складу організмів входять також розчинні у воді солі у вигляді катіонів (калію, кальцію, натрію тощо) та аніонів (переважно залишки соляної, сірчаної, фосфатної та вугільної кислот).
Органічні сполуки – це основні хімічні речовини живих організмів. Вони утворюються завдяки здатності атомів вуглецю з’єднуватись між собою ковалентними зв’язками в ланцюги та приєднувати атоми кисню, водню й азоту.
Основні класи органічних сполук живих організмів – білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи та ліпіди. Органічні сполуки можуть бути мономерними, якщо вони складаються з невеликої кількості атомів вуглецю та інших елементів і деталі їхноьї будови не повторюються в межах молекули. Сполучаючись між собою, мономери утворюють біополімери.
Вуглеводи – це сполуки, переважна більшість яких складається з вуглецю, водню та кисню. Деякі з вуглеводів мають у своєму складі ще атоми азоту, фосфору чи сірки. Серед вуглеводів розрізняють моносахариди, олігосахариди та полісахариди.
Вуглеводи виконують переважно енергетичну та будівельну (структурну) функції.
Ліпіди – нерозчинні у воді (гідрофобні), але добре розчинні в неполярних розчинниках (ефіри, хлороформи, ацетони тощо) органічні сполуки. Найпоширенішими сполуками серед ліпідів є жири. Жири відіграють теплоізоляційну функцію; при їх окисненні вивільняється значна кількість енергії (енергетична функція) й цтворюється вода, що дає можливість деяким тваринам певний час не споживати воду. Будівельна функція ліпідів полягає у тому, що вони входять до складу біологічних мембран та інших структур.
До ліпідів належать також стероїди і воски, які, на відміну від жирів, не містять залишків жирних кислот. Стероїди є основою деяких гормонів, входять до складу вітаміну D.
Тонкий шар восків вкриває поверхні литків наземних рослин і тіла суходільних членистоногих, запобігаючи надмірному випаровуванню води.
Амінокислоти – це окремий клас органічних сполук. Лише 20 з великої кількості відомих амінокислот входять до складу білків (основні амінокислоти).
Білки мають різні рівні структурної організації. Нервинна структура утворюється завдяки сполученню амінокислот залишків петидними зв’язками з утворенням поліпептидного ланцюга. Вторинна структура білка являє собою закручений у спіраль поліпептидний лацюг, який підтримується за допомогою водневих зв’язків. Третинна структура формується внаслідок укладання поліпептидної спіралі певним чином у специфічну для кожного білка конфігурацію (глобулу). Четвертинна структура білків виникає тоді, коли кілька глобул поеднується в єдине функціональне утворення.
Білки поділяють на прості (протеїни), які складають лише із залишків амінокислот, і складні (протеїди), що крім амінокислотних залишків, містять речовини небілкової природи.
Білки виконують в організмі багато різноманітних функцій: будівельну (входять до складу різноманітних структурних утворень); захисну (спеціалізовані білки – антитіла – здатні зв’язувати та знешкоджувати мікроорганізми й сторонні білки) тощо. Крім того, білки беруть участь у зсіданні крові, чим запобігають значним крововвтратам, виконують регуляторну, сигнальну, скорочувальну, енергетичну, транспортну функції (перенесення деяких речовин в організмі).
Каталітичну функцію здійснюють біокаталізатори білкової природи – ферменти.
Вітаміни – біологічно активні органічні речовини різноманітної будови, які здебільшого входять до складу багатьох ферментів. Відсутність (авітаміноз) чи нестача (гіповітаміноз) вітамінів в організмі так само, як і їхній надлишок (гіпервітаміноз), призводять до тяжких захворювань.
Гомони – біологічно активні органічні речовини різної хімічної будови. Їх виділяють у кров клітини залоз внутрішньої секреції або нервові клітини (нейрогормони).
У грибів і вищих рослин знайдено фітогормони, що утворюється в певних клітинах і діють подібно до гормонів тварин. У клітинах рослин (зокрема, у складі клітинного соку вакуолей) та деяких інших організмів виявлено алкалоїди. Ці речовини отруйні для тварин.
Нуклеїнові кислоти – це біополімери, які складаються із залишків азотистої основи, вуглеводу пентози та фосфорної кислоти. Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) містить залишок вуглеводу дезоксирибози, а рибонуклеїнові кислоти (РНК) – рибози.
Молекула ДНК несе інформацію про будову білків і молекул РНК. Ділянку молекули ДНК, у який закодована інформація про структуру одного поліпептидного ланцюга або білка, називають геном.
Контрольні запитання:
Подумайте:
Семінар № 2.
Тема: Основні компоненти цитоплазми.
Мета: Опанувавши цю тему, студенти дізнаються про: клітинний рівень організації живої матерії, основні методи дослідження клітин, основні положення клітинної теорії, відмінності між клітинами еукаріот і прокаріот, будову та функції клітинних структур, життєвий цикл клітин.
Методичні вказівки:
Клітина – основна елементарна структурно-функціональна одиниця живих організмів. За кількістю клітин і ступенем іхньої взаємодії розрізняють одноклітинні, колоніальні та багатоклітинні організми.
Біологічна наука цитологія вивчає прояви життєдіяльності та особливості будови клітин різних організмів. Вона виникла у ХVІІ сторіччі завдяки винаходу мікроскопа та відкриттю клітини. Її подальший розвиток пов’язаний зі створенням клітинної теорії.
Будову, хімічний склад, процеси життєдіяльності клітин вивчають за допомогою різноманітних методів: світлової та електронної мікроскопії, прижиттєвого вивчення, центрифугування тощо.
Усі клітини складаються з поверхневого апарату, цитоплазми, органел та інших внутрішньоклітинних структур. За особливостями будови клітин усі організми поділяють на два надцарства – Прокаріоти та Еукаріоти.
Прокаріотичні організми (бактерії, ціанобактерії) – це одноклітинні чи колоніальні форми, клітини яких не мають ядра та більшості органел, притаманних клітинам еукаріот (мітохондрій, пластид, вакуолей, ендоплазматичної сітки, комплексу Гольджі тощо).
Серед еукаріот (рослини, гриби, тварини) є одноклітинні, колоніальні та багатоклітинні форми. Їхні клітини мають одне чи кілька сформованих ядер (деякі типи клітин втрачають ядро в процесі розвитку), різноманітні органели, включення тощо, а цитоплазма поділена клітинними мембранами на функціональні комірки (компартменти).
Біологічні мембрани є неодмінним структурним компонентом будь-якої клітини. Вони відокремлюють її від зовнішнього середовища, а в еукаріотичних клітин ще й поділяють їхнє внутрішнє середовище на функціональні комірки – компартменти. Мембрани складаються з ліпідів, білків, вуглеводів та їхніх сполук.
Плазматична мембрана обмежує внутрішнє середовище клітини і виконує різноманітні функції: бар’єрну, регулює транспорт речовин у клітину та з неї, сприймає подразники зовнішнього середовища, передає їх у клітину, бере участь у формуванні захисних реакцій (імунітету), забезпечує контакти між клітинами багатоклітинних організмів.
До надмембранних комплексів клітини належать глікокалікс тваринних клітин, клітинна стінка клітин рослин і грибів, клітинна стінка та слизова капсула бактерій.
До підмембранних структур клітини належать утвори білкової природи – мікрониточки (мікрофіламенти) та мікротрубочки. У клітин багатьох найпростіших (наприклад, інфузорій, євглен) підмембранні комплекси представлені пелікулою, яка надає клітині додаткової жорсткості.
В еукаріотичних клітинах внутрішні мембрани поділяють клітину на компартменти, які дають змогу одночасно перебігати багатьом несумісним біохімічним процесам.
Цитоплазма – це внутрішнє середовище клітини. Вона становить собою неоднорідну (багатофазну) колоїдну систему – гіалоплазму з розміщеними в ній органелами та іншими структурами.
Цитоплазма виконує багато важливих функцій: об’єднує всі структури, які в ній знаходяться, забезпечує їхню взаємодію, завдяки чому клітина функціонує як єдина цілісна система. В ній відбувається транспорт різноманітних речовин, перебігають деякі процеси енергетичного та пластичного обміну, відкладаються запасні поживні речовини та продукти метаболізму.
Клітинні включення – це непостійні структури, які можуть то виникати, то зникати за час життєдіяльності клітини. Вони мають вигляд краплин (жири), зерен (білки, полісахариди), кристалів (солі).
До одномембранних органел клітини належить: ендоплазматична сітка, комплекс Гольджі, лізосоми, різні типи вакуолей.
На мембранах шорсткої ендоплазматичної сітки відбуваються біосинтез білків та їхній розподіл; вона також бере участь у синтезі компонентів клітинних мембран. Гладенька ендоплазматична сітка забезпечує синтез ліпідів і вуглеводів. У ній можуть накопичуватись токсичні продукти обміну, які знешкоджуються особливими ферментами.
Комплекс Гольджі забезпечує накопичення певних речовин, їхнє дозрівання, пакування та секрецію.
Лізосоми – це пухирці з гідролітичними ферментами. Вони утворюють травні вакуолі чи самостійно перетравлюють окремі клітини, їхні частини або групи.
У клітинах еукаріот є різні типи вакуолей: травні, скоротливі, заповнені клітинним соком.
У клітинах еукаріот є вкриті подвійною мембраною органели – мітохондрії та пластиди. Вони містять власні ДНК та білок синтезуючий апарат і розмножуються поділом, тобто мають певну автономію в клітині.
Мітохондрії мають гладеньку зовнішню мембрану, тоді як внутрішня утворює вирости всередину. Головною функцією мітохондрій є синтез АТФ.
Пластиди – двомембранні органели клітин вищих рослин різної форми та розмірів. Розрізняють три основних типи пластид – зелені (хлоропласти), безбарвні (лейкопласти) та яскраво забарвлені у різні кольори (хромопласти).
Ядро є неодмінним структурним компонентом усіх еукаріотичних клітин. Воно складається з поверхневої подвійної мембрани, що має отвори (пори), та ядерного матриксу, який містить ядерний сік (каріоплазму), ядерця, опорні структури та певний набір хромосом.
Хромосоми – внутрішньоядерні органели, які складаються переважно з білків і ДНК. Гени (ділянки молекули ДНК) розташовані в хромосомах і несуть спадкову інформацію. Сукупність хромосом клітини називається каріотипом.
Ядро виконує функції зберігання спадкової інформації та її передачі дочірнім клітинам під час клітинного поділу.
Рибосоми – немембранні органели клітини, які беруть участь у біосинтезі білків. Під час біосинтезу білка рибосоми можуть об’єднуватися в групи, утворюючи разом з молекулою іРНК полісоми. Органели руху клітини – це псевдоподії, джгутики та війки.
Клітинний центр – ділянка світлої цитоплазми, в який розміщено центріолі, що беруть участь в утворенні мікротрубочок цитоплазми, веретена поділу, джгутиків та війок.
Існування клітини від одного поділу до наступного має назву клітинного циклу. Він складається з процесу поділу та часу між його закінченням і початком наступного поділу – інтерфази. Інтерфаза може тривати також від завершення попереднього поділу клітини до її загибелі.
Еукаріотичні клітини діляться за допомогою мітозу, що складається з чотирьох послідовних фаз: профази, метафази, анафази та телофази.
Біологічне значення мітозу полягає в тому, що він забезпечує точний розподіл носіїв спадкового матеріалу материнської клітини між двома дочірніми та сталість каріотипу.
Мейоз – особливий спосіб поділу клітини, унаслідок якого кількість хромосом зменшується вдвічі, і клітини переходять з диплоїдного стану в гаплоїдний. Мейоз складається з двох послідовних поділів, інтерфаза між якими вкорочена або взагалі відсутня.
Під час першого мейотичного поділу відбувається кон’югація гомологічних хромосом, які можуть обмінюватись своїми ділянками (процес кросинговеру). В анафазі І до різних полюсів клітини розходяться гомологічні хромосоми, кожна з яких складається з двох хроматид.
Під час другого мейотичного поділу до різних полюсів клітин розходяться окремі хроматиди кожної з хромосом. У наслідок цього утворюються чотири дочірні клітини, кожна з яких має половинний набір хромосом і половинний набір ДНК (оскільки кожна з хромосом представлена лише однією хроматидою з двох).
Біологічне значення мейозу полягає в підтриманні сталості хромосомного набору організмів, які розмножуються статевим шляхом. Процес мейозу внаслідок кросинговеру та незалежного розподілу гомологічних хромосом спричиняє особливий тип спадкової мінливості – комбінативну мінливість.
Контрольні запитання:
1.Що таке клітина?
2.Які ви знаєте відмінності між одноклітинними, колоніальними та багатоклітинними організмами?
3.Що вивчає наука цитологія? Коли вона виникла?
4.Які основні методи дослідження клітин вам відомі?
5.Сформулюйте основні положення клітинної теорії.
6.Які основні складові компоненти клітин ви знаєте?
7.Які особливості будови клітин прокаріот?
8.Які особливості будови клітин еукаріот?
9.Який хімічний склад біологічних мембран?
10.Яка будова біологічних мембран?
11.Назвіть основні функції та властивості плазматичної мембрани.
12.Якими способами може відбуватися транспорт речовин через плазматичну мембрану?
13.Що таке фагоцетоз і піноцитоз? Що спільного та відмінного між ними?
14.Які будова та функції надмембранних структур клітин тварин, рослин і грибів?
15.Які будова та функції надмембранних комплексів клітин бактерій?
16.Що таке цитоскелет? Які його функції?
17.Що таке компартменти? Які основні компартменти вам відомі?
18.У чому полягає просторовий і функціональний зв’язок між основними компарментами клітин?
19.Що таке цитоплазма і які її функції?
20.Що таке гіалоплазма? Який її склад?
21.У яких станах може перебувати гіалоплазма? Охарактеризуйте їх.
22.Яка роль гіалоплазми в клітині?
23.Що таке клітинні включення? Яке їхнє значення?
24.Яка будова та функції ендоплазматичної сітки?
25.Порівняйте функції шорсткої та гладенької ендоплазматичної сітки.
26.Яка будова і функції комплексу Гольджі?
27.Що таке лізосоми? Які їхні функції?
28.Які типи вакуолей є в клітинах еукаріот? Які їхні функції?
Семінар № 3.
Тема: Структурова складність і впорядкованість організмів. Обмін речовин.
Мета. Опанувавши цю тему, студенти дізнаються про: структурову складність та упорядкованість організмів та механізми обміну речовин.
Методичні вказівки.
Обмін речовин (або метаболізм) – це сукупність процесів постійного поглинання речовин із довкілля, їхніх перетворень в організмі та виведення з нього продуктів обміну.
Обмін речовин супроводжується перетворенням енергії: організми поглинають певну кількість енергії з довкілля, а потім знову її туди виділяють. Сукупність реакцій розщеплення складних сполук із вивільненням енергії називають енергетичним обміном, а сукупність реакцій біосинтезу, які відбуваються з поглинанням енергії, - пластичним обміном.
Організми, які синтезують органічні сполуки з неорганічних, використовуючи для цього енергію світла чи хімічних зв’язків, називають автотрофними (фототрофні та хемотрофні). Гетеротрофні організми отримують необхідну їм енергію, засвоюючи органічну речовину живих організмів, їхніх решток або продуктів життєдіяльності.
Універсальним акумулятором енергії в клітинах є АТФ (аденозинтрифосфорна кислота).
На підготовчому етапі енергетичного обміну в кишечнику тварин і людини, а також у клітинах усіх організмів біополімери під дією специфічних ферментів розкладаються до мономерів, а жири – до глікогену та жирних кислот. Продукти розщеплення цих речовин або знову використовуються для синтезу складних органічних сполук, або розщеплюються далі.
Безкисневий етан енергетичного обміну відбувається в клітинах При безкисневому розщепленні глюкози (гліколізі) утворюються дві молекули молочної або піровиноградної кислот і синтезуються дві молекули АТФ. Іншими формами безкисневого розщеплення глюкози є деякі види бродіння (спиртове, молочнокисле, маслянокисле).
На кисневому (аеробному) етапі енергетичного обміну продукти гліколізу окиснюються за допомогою кисню до води й вуглекислого газу з утворенням 36 молекул АТФ. Цей етап є послідовністю хімчних реакцій та фізичних явищ і відбувається у мітохондріях еукаріот чи на плазматичній мембрані прокаріот. У ньому беруть участь ферменти та переносники електронів.
Процес видалення з організму кінцевих продуктів обміну має назву екскреції.
Сукупність реакцій синтезу, за допомогою яких із речовин, що надійшли до клітини, синтезуються необхідні для неї сполуки, називають пластичним обміном. Реакції пластичного обміну перебігають із затратами енергії.
Однією з найважливіших форм пластичного обміну є біосинтез білків. Інформація про структуру білкової молекули зберігається в ядрі у вигляді певної послідовності нуклеотидів ділянки молекули ДНК (генетичний код).
Біосинтез білкової молекули складається з ряду послідовних етапів. Спочатку на певній ділянці молекули ДНК синтезується молекула іРНК. Потім, відповідно до послідовності нуклеотидів молекули іРНК, синтезується поліпептидний ланцюг. Ці процеси відбуваються в рибосомах за участю тРНК і транспортованого нею амінокислотного залишку.
У клітинах автотрофних організмів глюкоза та інші гексози синтезуються з СО2 та Н2О. У гетеротрофних організмів глюкоза та деякі інші вуглеводи утворюються внаслідок складних перетворень інших сполук (піровиноградної і молочної кислоти, гліцерину, деяких амінокислот тощо).
Біосинтез нуклеїнових кислот перебігає в кілька етапів. ДНК відтворюється самоподвоєнням, в основі якого лежить явище комплементарності. Матрицею для синтезу молекул РНК є певна ділянка одного з ланцюгів ДНК.
Автотрофи здатні синтезувати органічні сполуки з неорганічних, використовуючи для цього або енергію, яка вивільнюється внаслідок хімічних реакцій (хемотрофні організми), або енергію світла (фототрофні організми).
Хемотрофні організми – виключно прокаріоти (нітрифікуючі бактерії, залізобактерії, сіркобактерії тощо). Серед фототрофних організмів відомі як прокаріоти, так і еукаріоти.
Фотосинтез – процес перетворення світлової енергії в енергію хімічних зв’язків органічних сполук, синтезованих автотрофними організмами. Він має дві фази: світлову та темнову. Світлова фаза у рослин здійснюється в особливих утворах хлоропластів – тилакоїдах, де міститься пігмент хлорофіл.
Темна фаза фотосинтезу відбувається у стомі хлоропластів.
Фотосинтез має виняткове значення для існування біосфери (атмосферний кисень переважно фотосинтетичного походження).
Контрольні запитання:
Подумайте:
Семінар № 4.
Тема: Універсальні властивості організмів. Спадковість і мінливість організмів.
Мета. Опанувавши цю тему студенти дізнаються про: закономірності спадковості та мінливості, засвоять основи генетики.
Методичні вказівки.
Генетика – наука, що вивчає закономірності спадковості та мінливості. Елементарною одиницею спадковості є ген. Сукупність спадкової інформації, закледеної в генах клітини або організму, називається генотипом. Унаслідок взаємодії генотипу й умов довкілля формується фенотип особини, тобто сукупність усіх ознак і властивостей організму.
Гени, які кодують певні ознаки, можуть перебувати в різних станах (алелях). Вони відповідають за формування різних станів ознаки. Алельні гени бувають домінантними або рецесивними. Домінантна алель завжди проявляється у фенотипі в присутності рецесивної, остання ж у присутності домінантної не проявляється.
Г.Мендель встановив основні закономірності спадковості. Якщо схрещувати особин, гомозиготних відповідно за домінантною та рецесивною алелями, у першому поколінні гібридів всі нащадки будуть домінантними за фенотипом (закон одноманітності гібридів першого покоління).
Серед гібридів другого покоління три чверті особин у фенотипі мають домінантний стан ознаки, а одна чверть – рецесивний (закон розщеплення).
Під час схрещування особин, які розрізняються за двома або більшою кількістю ознак, розщеплення за кожною з них відбувається незалежно від інших (закон незалежного розподілу або комбінування станів ознак).
Статистичний характер законів спадковості пояснюється за допомогою закону чистоти гамет, запропонованого Г.Менделем. Згідно із цим законом гамети гібридної особини несуть лише один алельний ген із кожної пари.
Ймовірність поєднань різних гамет між собою під час схрещування однакова, тому частота зустрічальності кожної з їхніх комбінацій у зиготі зумовлена кількісними співвідношеннями різних сортів гамет.
Явище неповного домінування полягає у наближенні генерозиготних особин за фенотипом до гомозиготних за домінантною алеллю, але з деякими відмінностями. У разі проміжного успадкування гетерозиготні особини за фенотипом займать проміжне положення між відповідними фенотипами гомозиготних особин, тобто жоден з алельних генів не домінує над іншим.
Для з’ясування генотипу особин з домінантним фенотипом використовують аналізуюче схрещування: її парують з особою, гомозиготною за відповідною рецесивною алеллю. На кількісні співвідношення фенотипів гібридів першого покоління можуть впливати летальні алелі, які призводять до загибелі сосбин ще до завершення їхнього розвитку.
Усі гени, розташовані в одній хромосомі, утворюють групу зчеплення, внаслідок чого ознаки, які визначаються ними, успадковуються зчеплено. Сила зчеплення між двома генами, розміщеними в одній хромосомі, обернено пропорційна відстані між ними. Кількість груп зчеплення в організмів певного виду дорівнює числу хромосом у його геномі.
Зчеплення між генами порушується у результаті кросинговеру (перехресту хромосом). Частота кросинговеру для кожної пари зчеплених генів відносно стала та пропорційна відстані між ними.
У роздільностатевих видів стать майбутньої особини визначається здебільшого в момент запліднення завдяки певній комбінації в зиготі статевих хромосом (так званих Х- та Y-хромосом).
Існує ряд ознак, успадкування яких зчеплене зі статтю (наприклад, черепахове забарвлення шерсті у кішок, гемофілія та дальтонізм у людини).
Ген – це ділянка молекули нуклеїнової кислоти, що займає певне місце в хромосомі. Гени – функціональні одиниці спадкової інформації, здатні змінюватись унаслідок мутацій і рекомбінацій. Існують структурні гени, які кодують будову поліпетидів і рибонуклеотидів, та регуляторні, що слугують місцями приєднання певних ферментів та інших біологічно активних сполук.
У клітинах еукаріот виявлено позаядерну (цитоплазматичну) мінливість, зумовлену позаядерними генами, розсташованими, у мітохондріях і пластидах, та впливом ядерних генів материнського організму на формування станів потомків через цитоплазму яйцеклітини.
Генотип організмів є цілісною системою, що склалася історично. Цілісність генотипу зумовлена явищами множинної дії генів та їхньої взаємодії.
Неспадкова мінливість організмів називається модифікаційною. Модифікаціями називають зміни ознак організму (фенотипу), зумовлені впливом чинників умов існування і не пов’язані зі змінами генотипу. Вони здебільшого мають адаптивний характер, тобто сприяють пристосуванню організмів до них чи інших змін умов довкілля. Кількісні показники модифікаційних змін кожної ознаки можуть варіювати лише у певних межах, які визначаються генотипом особин. Межі модифікаційної мінливості ознаки дістили назву норми реакції, яка специфічна для кожної ознаки.
Ряд послідовних кількісних значень мінливості ознаки називають варіаційним. Його довжина свідчить про межі модифікаційної мінливості.
Розрізняють комбінативну та мутаційну спадкову мінливість організмів. До комбінативної мінливості призводять нові сполучення алелей між собою (рекомбінації). Мутації – це стійкі зміни генетичного апарату, що виникають раптово як у нестатевих (соматичні мутації), так і у статевих (генетичні мутації) клітинах.
Мутації можуть по-різному впливати на організми: спричинювати їхню загибель (летальні мутації), знижувати життєдіяльність (сублетальні мутації) або ж не впливати на неї за певних умов довкілля (нейтральні мутиції). Поява мутацій, які б відразу сприяли кращій пристосованості організмів до умов існування, малоймовірна.
Причиною багатьох мутацій є мутагенні фактори, тобто чинники довкілля, здатні призводити до спадкових змін організмів. Залежно від природи цих факторів їх поділяють на фізичні, хімічні та біологічні.
Для мутацій характерні такі закономірності: вони неспрямовані, як правило, позбавлені адаптивного значення, ступень їхнього прояву не залежить, а частота – залежить від інтенсивності та тривалості дії мутагенних факторів.
На підставі того, що у близьких у генетичному відношенні організмів часто виникають однакові мутації, В.І.Вавилов сформулював закон гомологічних рядів спадкової мінливості: генетично близькі види і роди характеризуються подібними рядами спадкової мінливості.
Генетика популяцій вивчає генетичні процеси, що відбуваються в популяціях.
Розподіл частот зустрічальності алелей у популяції описується формулою Харді – Вайнберга. Дрейф генів – це випадкова і неспрямова зміна частот зустрічальностей алелей у популяції, що може зумовлюватись періоличними змінами чисельності популяції (популяційними хвилями). Він найхарактерніший для малочисельних популяцій, де за короткий проміжок часу може значно змінюватись генофонд, зокрема в напрямі збільшення частки гомозиготних особин. У наслідок дрейфу генів у популяції може швидко зростати частота зустрічальності рідких алелей, а деякі алелі взагалі зникають; тривалий час може зберігатися мутантна алель, яка знижує пристосованість особин до умов існування.
Сукупність усіх генів та їхніх алелей особин популяції називається генофондом. Генофонд популяцій різних видів організмів потребує охорони, бо для кожного виду він унікальний.
Селекція – це наука про теоретичні основи та методи створення нових і поліпшення вже існуючих порід тварин, сортів рослин та штамів мікроорганізмів. Породою тварин чи сортом рослин називають сукупність особин одного виду (популяцію), штучно створену людиною і яка характеризується певними спадковими властивостями: продуктивністю, особливими морфологічними та фізіологічними ознаками. Штам – це чиста культура (тобто нащадки однієї клітини) мікроорганізмів.
Основними методами сучасної селекції є штучний добір і гібридизація. Штучний добір – це вибір людиною найцінніших у господарському відношенні тварин, рослин, мікроорганізмів для одержання від них потомства з бажаними ознаками. Застосовують дві основні форми штучного добору – масову та індивідуальну.
Одним з методів сучасної селекції є гібридизація – процес одержання гібридів, в основі якого лежить об’єднання генетичного матеріалу від різних клітин або організмів. Гібридизація можлива як у межах одного виду (внутрішньовидова), так і між особинами різних видів (міжвидові, або віддалена).
Внутрішньовидове схрещування буває спорідненим та неспорідненим. Споріднене схрещування, або інбридинг, - парування організмів, які мають безпосередніх близьких предків. Інбридинг супроводжується підвищенням з кожним новим поколінням гомозиготності гібридів і часто спричинює ослаблення або навіть виродження нащадків.
Неспоріднене схрещування, або аутбридинг – парування організмів, які не мають безпосередніх родинних зв’язків, тобто представників різних ліній, сортів чи порід одного виду. Неспоріднене схрещування супроводжується підвищенням гетерозиготності з кожним настурним поколінням гібридів.
У результаті неспорідненого схрещування часто спостерігається явище гетерозису, коли перше покоління гібридів має підвищені життєздатність і продуктивність порівняно з вихідними батьківськими формами.
Міжвидова, або віддалена гібридизація – схрещування особин, які належать до різних видів і навіть родів.
Контрольні запитання:
Подумайте:
Семінар № 5.
Тема: Розмноження та індивідуальний розвиток організмів.
Мета. Опанувавши цю тему, студенти дізнаються про: основні форми розмноження організмів та їхнє біологічне значення; особливості будови й утворення статевих клітин; особливості процесу запліднення у різноманітних організмів і його біологічне значення; особливості ембріонального розвитку організмів; етапи ембріонального розвитку хордових тварин; постембріональний розвиток тварин та його типи.
Методичні вказівки.
Розмноження є універсальною властивістю живих істот, завдяки якій забезпечуються безперервність і спадковість життя.
Нестатеве розмноження здійснюється за допомогою окремих (нестатевих) клітин (різні форми поділу клітин та спороутворення), з яких виникають дочірні клітини або розвиваються багатоклітинні організми.
Вегетативне розмноження забезпечується відокремленням від материнського організму багатоклітинних частин (фрагментація вегетативних організмів або їхніх видозмін, поперечний чи повздовжній поділ, відокремлення багатоклітинної бруньки тощо). Поліембріонія – це розвиток кількох зародків із однієї зиготи. Партаногенез -–утворення нового організму із незаплідненої яйцеклітини.
Завдяки нестатевому, вегетативному розмноженню та партеногенезу можуть давати нащадків ізольовані окремі особини, а також за короткий період значно зростає чисельність видів.
Статеве розмноження – це явище, коли новий організм розвивається із заплідненої яйцеклітини, що виникає внаслідок злиття двох статевих клітин. В його основі лежить статевий процес, який здійснюється у формах кон’югації або копуляції. Розрізняють роздільностатеві та гермафродитні особини. У першому випадку кожна особина формує лише один вид гамет, в іншому – обидва. У роздільностатевих видів може спостерігатися статевий диморфізм – явище, коли особини різних статей відрізняються між собою, крім будови статевих органів, також забарвленням, розмірами тіла, пропорціями його окремих частин тощо. Ці відміни мають назву вторинних статевих ознак.
Статеві клітини виконують функцію передачі спадкової інформації від батьківських організмів нащадкам. У хребетних тварин вони утворюються в статевих органах у кілька стадій: розмноження, росту, дозрівання та формування й супроводжуються зменшенням кількості хромосом удвічі.
Набір хромос, притаманний даному виду (як правило, диплоїдний), відновлюється під час запліднення – злиття чоловічої та жіночої гамет з утворенням заплідненої яйцеклітини (зиготи). Біологічне значення запліднення полягає у збільшенні спадкового різноманіття, оскільки нащадки поєднують у собі ознаки як материнського, так і батьківського організмів.
Ембріональний розвиток багатоклітинних тварин починається з дробіння – ряду послідовних поділів зиготи чи партеногенетичної яйцеклітини. При цьому клітини, що утворюються внаслідок дробіння (бластомери), не ростуть у періодах між поділами. У результаті дробіння утворюється бластула – стадія ембріонального розвитку, що складається з одного шару клітин і має всередині порожнину.
У подальшому відбувається процес гаструляції – утворення з бластули двошарового зародка (гаструли). Вона складається з двох шарів клітин (зародкових листків): зовнішнього – ектодерми та внутрішнього – ентодерми. У більшості тварин виникає ще й третій (середній) зародковий листок – мезодерма. Зародкові листки дають початок усім тканинам та органам дорослих особин.
Під час ембріонального розвитку спостерігається явище диференціації – виникнення відмін у будові та функціях клітин, тканин та органів. Гістогенез – це сукупність процесів, які забезпечують в онтогенезі багатоклітинних організмів формування, існування і відтворення тканин з притаманними їм особливостями будови та функцій. Гістогенез тісто взаємопов’язаний з органогенезом – процесами закладання зачатків органів та їхньої подальшої диференціації.
Кожен з трьох зародкових листків багатоклітинних тварин дає початок тим чи іншим елементам зародка, але в утворенні більшості органів беруть участь клітини різних листків.
Ембріональна індукція – це явище взаємодії між частинами зародка під час ембріогенезу, коли одна з них (індуктор, або організатор) визначає місце і напрям розвитку сусідньої.
Відомий прямий і непрямий постембріональний розвиток тварин. У разі прямого розвитку народжується або вилуплюється з яйця молодий організм, загалом подібний до дорослого, але менший за розмірами. За непрямого розвитку (метаморфоз) молода особина відрізняється від дорослої особливостями будови та процесів життєдіяльності.
Ріст – це поступове збільшення розмірів і біомаси організмів завдяки переваженню процесів пластичного обміну над енергетичним. Ріст організмів може бути обмеженим і необмеженим, постійним і періодичним. Регенерація – це відновлення організмів пошкоджених або втрачених частин, а також відновлення особин з певної її частини.
Життєвий цикл – це сукупність усіх фаз розвитку чи різних за будовою та процесами життєдіяльності поколінь організмів певного виду. У прокаріот і багатьох одноклітинних організмів життєвий та клітинний цикли збігаються.
Відомі прості та складні життєві цикли. Прості життєві цикли рослин відбуваються без чергування поколінь, тоді як під час складного життєвого циклу спостерігається зміна статевого (гаметофіта) і нестатевого (спорофіта).
У тварин прості життєві цикли не супроводжуються складними перетвореннями організмів (метаморфозом) або чергуванням різних поколінь. У складних циклах можуть чергуватися статеве і нестатеве, статеве і партеногенетитчне, роздільностатеве і гермафродитне покоління.
Контрольні запитання:
Подумайте:
Семінар № 6.
Тема: Історичний розвиток органічного світу.
Мета. Опанувавши цю тему, студенти дізнаються про: основні еволюційні гіпотези; елементарну одиницю, фактори та середовище еволюції; біологічну конуепцію виду; особливості сучасного стану розвитку еволюційних поглядів.
Методичні вказівки.
Еволюція – процес необоротних змін у будові та функціях організмів протягом їхнього історичного існування. Наслідком еволюції є пристосованість (адаптація) видів до умов довкілля. Закономірності цих процесів досліджує еволюційне вчення.
Еволюційна гіпотиза Ж.Б.Ламарка була першою спробою пояснити історичний розвиток живої матерії. За Ламарком, в основі еволюції лежить виникнення спадкових пристосувальних (адаптивних) змін під впливом умов довкілля та внутрішнє прагнення живого до самовдосконалення (ускладнення). Еволюція, за Ламарком, йде від простих форм організації до складних у вигляді послідовності певних щаблів ускладнення (градація).
Наприкінці ХVІІІ – у першій половині ХІХ сторіччя у біології було зроблено чимало фундаментальних відкриттів: розроблено клітинну теорію; доведено подібність індивідуального розвитку різних видів; спростовано погляди на еволюцію як поступовий перехід від нижчих градацій до вищих; зроблено перші кроки до вивчення біогенного обміну речовин, фотосинтезу, фізіологічних процесів у тварин, закладено основи біохімії. Необхідність теоретичного осмислення цих даних зумовило створення еволюційної гіпотези Ч.Дарвіна.
Видатний англійський еволюціоніст і зоолог Чарльз Дарвін у середині ХІХ сторіччя створив і обгрунтував нову еволюційну гіпотезу, згодом названу дарвінізмом.
Еволюція, за Дарвіном, - це процес безперервних змін видів у наслідок їхнього пристосування до умов довкілля на основі спадкової мінливості й під дією боротьби за існування, наслідком якої є природний добір.
Боротьба за існування – це сукупність взаємозв’язків організму з навколишнім середовищем. Її причиною є прагнення організмів до збільшення своєї чисельності. Боротьба за існування буває внутрішньовидовою, міжвидовою і з чинниками неживої природи.
Послідовники Ч.Дарвіна в другій половині ХІХ – на початку ХХ сторіччя значно розширили і доповнили його вченняю Ця завершена система еволюційних поглядів дістала назву класичного дарвінізму. У цей період виникла філогенія – наука про шляхи історичного розвитку органічного світу в цілому та окремих його груп, було запропоновано метод потрійного паралелізму для вивчення історичної спорідненості між ними; сформульовано біогенетичний закон про онтогенез як стислий відбиток філогенезу; вивчено та класифіковано різноманітні пристосування, зокрема різні види захисних забарвлень, форм і поведінки; виявлено гомологічні та аналогічні органи, рудименти та атавізми.
У наслідок недостатньої інформації про матеріальну основу спадковості, неконкретності понять “боротьба за існування”, “природний добір”, “вид” і “популяція” класичний дарвінізм на початку ХХ сторіччя пережив глибоку кризу. Вона спричинила розвиток інших еволюційних гіпотез, частина з яких становить основу сучасних поглядів на закономірності історичного прозвитку живої матерії.
Синтетичну гіпотезу еволюції створено в 20 – 50-х роках ХХ сторіччя в результаті праці багатьох випадках учених усього світу. Вона виникла внаслідок поєднання уявлень про мутації як єдиного джерела спадкової інформації, популяцію як основу одиницю еволюції та дарвінівських поглядів на боротьбу за існування і природний добір.
Популяція диплоїдних перехреснозаплідних організмів – це елементарна одиниця еволюційного процесу, здатна реагувати на зміни довкілля перебудовою свого генофонду і, відповідно, фенотипів.
Елементарні фактори еволюції діють на популяції. До них належать хвилі життя, дрейф генів та ізоляція.
Хвилі життя – це коливання чисельності особин популяції, внаслідок яких може випадково змінюватись частота зустрічальності невних генів у генофонді. Дрейф генів – це сукупність неадаптаційних процесів усередині популяції, яка змінює частоту зустрічальності генів. Ізоляція – явище припинення обміну спадкової інформації між популяціями або різними групами особин всередині популяції, кожна з яких за цих умов пристосовується до факторів довкілля незалежно від інших.
Мікроеволюція – це сукупність еволюційних процесів, які здійснюються всередині популяції та між популяціями одного виду. Джерелом спадкових змін є мутації. Природний добір сприяє виникненню різних пристосувань до умов довкілля на основі випадкових змін, тобто є рушійною силою еволюції. У цьому полягає його творча роль.
Добір залежно від характеру спричинених ним змін поділяється на стабілізуючий, рушійний та дизруптивний.
Згідно з біологічною концепцією, вид – це сукупність популяцій особин, які подібні між собою за будовою, функціями, місцем у біогеоценозах, населюють певну частину біосфери, вільно схрещуються між собою, дають плідне потомство і не гібридизуються з іншими видпми.
Основні критерії виду: морфологічний, фізіологічний, біохімічний, географічний та екологічний (екологічна ніша).
Видоутворення – це еволюційний процес виникнення нових видів у наслідок мікроеволюції за певної ізоляції чи пристосування до нових умов довкілля.
За умов ізоляції нові види виникають географічним чи екологічним шляхами, а також завдяки поліплоїдії. Відомі також випадки утворення нових видів у результаті гібридизації або існування ланцюжків видів, кожен із яких є нащадком попереднього і предком наступного; ці перетворення відбуваються без дивергенції.
Макроеволюція – це перетворення внаслідок мікроеволюційних змін упродовж певного історичного періоду, що ведуть до виникнення надвидових груп (родів, родин і т.д.). Особливих процесів макроеволюції у природі не існує.
Біологічний прогрес – процвітання певної групи, яке проявляється у зростанні чисельності популяції, розширенні ареалу, видоутворенні, а біологічний регрес – це протилежне явище, що свідчить про пригніченість досліджуваних груп.
Ароморфоз – еволюційні зміни будови, які сприяють підвищенню складності оргвнізації, а загальна дегенерація – її спрощенню. Ідіоадаптація – пристосування організмів до певних умов, не пов’язаних зі зміною рівня організації.
Фактори еволюції – це чинники, які приводять до адаптивних змін організмів, популяцій і видів. На кожному рівні організації живого є свої фактори еволюції, які проявляються у взаємодії.
Спадкова мінливість – фактор, властивий молекулярному (мутації) та клітинному (комбінативна мінливість) рівням.
Розмноження забезпечує безперервність життя. Показник біологічного процвітання виду – це оптимальнм густота популяції, яка проявляется в збалансованості народжуваності та смертності.
Внутрішньовидові фактори еволюції – це міграції, хвилі життя, певні елементи суспільної організації в зграях чи колоніях, статевий добір тощо.
Темпи еволюції – це час, за який виникають певні систематичні групи, починаючи з видів і закінчуючи типами і царствами. Вони не залежить від частоти зміни поколінь видів та часу історичного існування певної групи.
Неокатастрофізм – система поглядів, яка, базуючись на етапності історичного розвитку життя на Землі, стверджує, що внаслідок чергувань довгих періодів стабільності умов довкілля з їхніми короткочасними різкими змінами (біоценотичні кризи) темпи еволюції змінюються відповідно від повільних до дуже швидких. Результатом останніх є стрибкоподібне за дуже стислий період часу утворення нових груп організмів (гіпотеза сальтаціонізму).
Згідно з гіпотезою перерваної рівноваги, всі живі системи на будь-якому рівні організації можуть функціонувати лише у стабільних (сталих) умовах доти, доки ступінь зміни цих умов не перевищить їхню здатність до підтримання гомеостазу. Тому темпи еволюції всередині зрілих (клімаксних) біогеоценозів різко зростає у часи екологічних криз, коли масово вимирають одні та швидко виникають нові групи організмів. Останні формують нові стабільні біогеоценози відповідно до нових умов довкілля.
Суть гіпотези еволюційного компромісу полягає в тому, що жодний вид не може бути повністю пристосованим до будь-якого окремого чинника довкілля, а адаптивний до сукупності умов певнего біогеоценозу та має свій епігенотип. Видоутворення можливе лише при формуванні нового епігенотипу під час пристосування до нових умов довкілля.
Чим краще вид пристосовання до певних вузьких умов існування, тим вища його здатність до використання ресурсів довкілля (спеціалізація); з іншого боку, спеціалізація знижує екологічну пластичність та еволюційний потенціал. Тому у разі зміни умов існування передусім вимирають спеціалізовані ценофільні види.
Сучасна наука поки що не спроможна пояснити походження і суть життя. Однак існують дві основні гіпотези його походження: абіогенна і біогенна. Суть абіогенної гіпотези (Опаріна-Холдейна) полягає в тому, що внаслідок специфічних умов першого етапу формування земної кори життя виникло в океанах у результаті абіогенного синтезу органічних сполук, які згодом самовпорядкувались у живі системи.
Біогенна гіпотеза, або гіпотеза панспермії Арреніуса-Вернадського, припускає, що життя – це форма існування матерії, яка виникла водночас із Всесвітом. Спори прокаріот під дією тиску світла зірок розповсюджуються в космосі і потрапляють на небесні тіла. В сприятливих умовах із них з’являються різноманітні мікроорганізми, які утворюють первинні біогеоценози. Подальша еволюція життя залежить від історичних змін умов довкілля твєї чи іншої планети.
Прокаріотичні екосистеми виникли в архейську еру на мілководдях морів близько 3,8 млрд. років тому, а біогеоценози, основу яких складали ціанобактерії – 3,5 млрд. років. Унаслідок нездатності до ускладнення та диференціації клітин і горизонтального (міжвидового) транспорту генетичної інформації еволюція прокаріот має суть функціональний (біохімічний) характер і не пов’язана зі змінами їхньої організації.
Прокаріотичні біогеоценози мали малорозгалужені ланцюги живлення та незначну видову різноманітність, а, отже, були досить нестійкими щодо змін умов довкілля.
Первісні еукаріоти (джгутиками одноклітинні організми) виникли від прокаріот у першій половині протерозойської ери і незабаром по тому розділились на одноклітинні рослини (водорості), тварини (найпростіші) та гриби. Формування складного геному, ядерної оболонки, домінування статевого способу розмноження та здатності до ускладнення організації еукаріот зумовило їхні широкі адаптивні можливості та подальшу бурхливу еволюцію.
На думку більшості вчених, багатоклітинні організми виникли від колоніальних предків. Ймовірні шляхи походження багатоклітинних тварин пояснюють гіпотези фагоцители І.І. Мечникова та гастреї Е. Геккеля.
Наприкінці протерозойської ери (вендський період) на невеликих глибинах Світового океану виникла багата на види біота, основними продуцентами якої були ціанобактерії та зелені водорості, а консументами – різноманітні кишковопорожнинні, а також несегментовані й сегментовані тварини нез’ясованої систематичної належності. Всі вендські тварини не мали скелета.
У кембрійський період палеозойської ери виникають усі типи тварин, серед них і хордові; для більшості з яких характерна наявність зовнішнього (членистоногі, голкошкірі) чи внутрішнього (хордові) скелета або захисної черепашки (форамініфери, молюски). В ордовицький період з’являються корали, що утворюють рифи, досягають розквіту перші хребетні – безщелепні (щиткові). Життя опанувало як морські, так і прісні водойми.
У другій половині палеозойської ери життя опанувало суходіл, і біосфера досягла сучасних меж. За цей час змінились домінуючі групи наземних організмів: вищі спорові поступились голонасінним, земноводні – плазуном. Виникли і зазнали широкої адаптивної радіації крилаті комахи. У водоймах вимерлі древні класи риб, частина первісних земноводних, трилобіти та деякі інші групи. Останній, пермський, період палеозою є перехідним до мезозойських біот.
Протягом мезозойської ери на суходолі панували голонасінні, плазуни та комахи. Виникли ссавці та птахи. В середині крейдяного періоду з’явились комахозапильні квіткові рослини, що спричинило біосферну кризу внаслідок руйнування екосистем з переважанням голонасінних рослин. У другій половині цього періоду переважали біогеоценози, основними продуцентами в яких були покритонасінні та, частково, хвойні.
У наслідок спряженої еволюції з квітковими рослинами виникають і комахи-запилювачі. У цей час поширюються зубаті та справжні птахи, з’являються сумчасті і плацентарні ссавці, нові групи динозаврів. Друга глобальна біоценотична криза в кінці крейдяного періоду спричинила руйнування більшості біоценозів.
Протягом кайнозойської ери панують і досягти найвищого видового різноманіття покритонасінні рослини, птахи, ссавці та членистоногі. В антропогенний період з'’вилась людина, а в зв’язку з розвитком цивілізації та технології її госпадарська діяльність стала провідним еволюційним фактором, який призвів до біосферної кризи, яка може закінчитись екологічною катастрофою.
Запобігти цьому може тільки розвиток ойкуменічного світогляду та гармонійне єднання господарської діяльності людини та біосфери, яке В.І. Вернадський назвав ноосферою.
Контрольні запитання:
Подумайте:
Рекомендована література.