В чем заключаются принципиальные различия клеток живых организмов, относящихся к различным царствам природы? Сходство и различия в строении клеток растений, животных и грибов
Текущая страница: 1 (всего у книги 23 страниц) [доступный отрывок для чтения: 16 страниц]
В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин, Е. Т. Захарова
Биология. Общая биология. Углублённый уровень. 10 класс
Предисловие
Для нашего времени свойственна всё более возрастающая взаимозависимость людей. Жизнь человека, его здоровье, условия труда и быта почти целиком зависят от правильности решений, принимаемых многими людьми. В свою очередь, деятельность отдельного человека также влияет на судьбу многих. Именно поэтому очень важно, чтобы наука о жизни стала неотъемлемой составной частью мировоззрения каждого человека независимо от его специальности. Необходимы биологические знания и представителям гуманитарных специальностей, как важная часть общечеловеческого культурного наследия.
Особенно важно понимание общих закономерностей биологии школьникам и лицеистам, решившим посвятить свою дальнейшую деятельность экологическим, биологическим и медицинским проблемам. Дело в том, что современные достижения биологических наук, основанные на новейших технологических решениях, уже не могут быть осмыслены обладателями базовых биологических знаний.
Широк круг вопросов, с которыми вы познакомитесь при чтении данной книги. Однако не все из них достаточно подробно освещены. Это не случайно – сложность и многообразие жизни столь велики, что одни её явления мы только начинаем понимать, а другие ещё ждут изучения.
Учебный материал в книге состоит из разделов, включающих главы. Внутри большинства глав имеется, как правило, несколько параграфов, в которых рассматриваются те или иные конкретные темы. В качестве дополнительного учебного материала в текст пособия включены рубрики «Опорные точки» и «Вопросы и задания для повторения», которые позволят вам ещё раз обратить внимание на важнейшие положения пройденного материала. Рубрика «Вопросы и задания для обсуждения» содержит два-три вопроса, для ответа на которые в ряде случаев необходимо привлечение дополнительной литературы. Их можно использовать для факультативного изучения темы. С этой же целью в конце каждой главы обозначены «Проблемные области» и «Прикладные аспекты» изученного учебного материала.
Завершает каждую главу перечень основных положений, необходимых для запоминания, рубрика «Ваша будущая профессия», а также задания для самостоятельной работы.
В 10 классе вам предстоит изучение основ клеточной биологии, биологии развития и генетики. В этой книге рассказывается о новых достижениях современной биологии в области молекулярной биологии и генетики, биотехнологии и генетической инженерии.
Авторы выражают благодарность академику РАМН, профессору В. Н. Ярыгину за поддержку их творческих усилий, а также Ю. П. Дашкевичу, профессору А. Г. Мустафину и А. В. Буслаеву за ценные замечания, сделанные ими при подготовке настоящего издания.
Академик РАЕН, профессор В. Б. Захаров
Введение
Биология – наука о жизни. Её название возникло из сочетания двух греческих слов – bios (жизнь) и logos (слово, учение). Биология изучает строение, проявления жизнедеятельности, среду обитания всех живых организмов: бактерий, грибов, растений, животных, в том числе и человека.
Живое на Земле представлено необычайным разнообразием форм, множеством видов живых существ. В настоящее время уже известно более 500 тыс. видов растений, 1,5–2 млн видов животных, большое количество видов грибов и прокариот. Учёные постоянно обнаруживают и описывают новые виды, как существующие в современных условиях, так и вымершие в минувшие геологические эпохи.
Раскрытие общих свойств живых организмов и объяснение причин их многообразия, выявление связей между структурно-функциональной организацией и условиями окружающей среды относятся к основным задачам биологии. Важное место в этой науке занимают вопросы возникновения и законы развития жизни на Земле – эволюционное учение. Их понимание является основой научного мировоззрения и необходимо для решения практических задач в самых различных областях человеческой деятельности.
Биологию подразделяют на отдельные науки по предмету изучения. Так, микробиология изучает мир бактерий, ботаника исследует строение и жизнедеятельность представителей царства растений, зоология – царства животных и т. д. Вместе с тем развиваются области биологии, изучающие общие свойства живых организмов: генетика – закономерности наследования признаков, биохимия – пути превращения органических молекул, экология – взаимоотношения организмов друг с другом и с окружающей средой. Функции живых организмов изучает физиология.
В соответствии с уровнями организации живой материи выделились такие научные дисциплины, как молекулярная биология, цитология (учение о клетке), гистология (учение о тканях) и т. д.
В биологии используются самые различные методы. Один из важнейших методов – исторический, он служит основой осмысления получаемых фактов. К традиционным относится описательный метод. Широко используются инструментальные методы: микроскопия (светооптическая и электронная), электрография, радиолокация и др.
В последнее время всё больше возрастает значение пограничных дисциплин, связывающих биологию с другими науками – физикой, химией, математикой, кибернетикой и др. Так возникли биофизика, биохимия, бионика.
Достижения биологии конца XX – начала XXI в. привели к возникновению принципиально новых направлений в науке, ставших самостоятельными разделами в комплексе биологических дисциплин. Так, раскрытие молекулярного строения структурных единиц наследственности – генов (международный проект «Геном человека», 2003) – послужило основой для создания геномики и генной инженерии. С помощью их методов создают организмы с новыми, в том числе и с не встречающимися в природе, комбинациями наследственных признаков и свойств. Практическое применение достижений современной биологии уже в настоящее время позволяет получать промышленным путём значительные количества биологически активных веществ, генетически модифицированных организмов с полезными для человека качествами. Исследования в области нанобиологии и наномедицины, биологии стволовых клеток показали принципиальную возможность репрограммирования специализации клеток и получения в лабораторных условиях из клеточного материала данного организма тканей и даже органов, необходимых для замены «износившихся» или поражённых заболеванием частей организма. Расшифровка механизмов регуляции восстановительных процессов в скором времени приведёт к возможности восстановления частей утраченных при травме конечностей и поражённых патологическим процессом органов и тканей.
На основе изучения взаимоотношений между организмами созданы биологические методы борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур. Многие приспособления живых организмов послужили моделями для конструирования эффективных искусственных сооружений и механизмов. В то же время незнание или игнорирование законов биологии приводит к тяжёлым последствиям как для природы, так и для человека. Настало время, когда от поведения каждого из нас зависит сохранность окружающего мира. Хорошо отрегулировать двигатель автомобиля, предотвратить сброс ядовитых отходов в реку, предусмотреть в проекте гидроэлектростанции обводные каналы для рыбы, удержаться от желания собрать букет редких цветов – всё это позволит сохранить окружающую среду, среду нашей жизни.
Исключительная способность живой природы к восстановлению создала иллюзию её неуязвимости к разрушительным воздействиям человека, безграничности её ресурсов. Теперь мы знаем, что это не так. Поэтому вся хозяйственная деятельность человека сейчас должна строиться с учётом принципов организации биосферы.
Значение биологии для человека огромно. Общебиологические закономерности используются при решении самых разных вопросов во многих отраслях народного хозяйства. Благодаря знанию законов наследственности и изменчивости достигнуты большие успехи в сельском хозяйстве при создании новых высокопродуктивных пород домашних животных и сортов культурных растений. Учёные вывели сотни сортов зерновых, бобовых, масличных и других культур, отличающихся от предшественников высокой продуктивностью и другими полезными качествами. Помимо этого проводится селекция микроорганизмов, продуцирующих антибиотики. Современные достижения генетики привели к развитию генодиагностики и генотерапии наследственных заболеваний человека.
Большое значение в биологии придаётся решению проблем, связанных с выяснением тонких механизмов биосинтеза белка, фотосинтеза, которые дадут возможность синтезировать органические пищевые вещества вне растительных и животных организмов. Кроме того, использование в промышленности (в строительстве, при создании новых машин и механизмов) принципов организации живых существ (бионики) приносит в настоящее время и даст в будущем значительный экономический эффект.
В дальнейшем практическое значение биологии ещё больше возрастёт. Это связано с быстрыми темпами роста населения планеты, а также с постоянно возрастающей численностью городского населения, непосредственно не участвующего в сельскохозяйственном производстве. В такой ситуации основой увеличения пищевых ресурсов может быть лишь интенсификация сельского хозяйства. Важную роль в этом процессе будет играть выведение новых, высокопродуктивных форм микроорганизмов, растений и животных, а также рациональное, научно обоснованное использование природных богатств.
Раздел 1. Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле
Человек всегда стремился познать окружающий его мир и определить то место, которое он в нём занимает. Как возникли современные животные и растения? Что привело к их поразительному разнообразию? В чём причины исчезновения фауны и флоры далёких от нас времён? Каковы дальнейшие пути развития жизни на Земле? Вот лишь несколько вопросов из того огромного количества загадок, решение которых всегда волновало человечество. Одна из них – самое начало жизни. Вопрос о происхождении жизни во все времена, на протяжении всей истории человечества имел не только познавательный интерес, но и огромное значение для формирования мировоззрения людей.
Глава 1. Многообразие живого мира. Основные свойства живой материи
Полна, полна чудес могучая природа.
А. Н. Островский
Первые живые существа появились на нашей планете более 3,6–3,8 млрд лет назад. От этих ранних форм возникло бесчисленное множество видов живых организмов, которые, появившись, процветали в течение более или менее продолжительного времени, а затем вымирали. От ранее существовавших форм произошли и современные организмы, образующие четыре царства живой природы: 1,5–2 млн видов животных, более 500 тыс. видов растений, значительное количество разнообразных грибов и прокариотических организмов.
Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими системами различной структурной организации и разного уровня соподчинения и согласованности. Известно, что все живые организмы состоят из клеток. Клетка может быть как отдельным организмом, так и частью многоклеточного растения или животного. Она бывает довольно просто устроена, как бактериальная, или значительно более сложно, как у одноклеточных животных – простейших. Как бактериальная клетка, так и клетка простейших представляет собой целостный организм, способный выполнять все функции, необходимые для обеспечения жизнедеятельности. А вот клетки, входящие в состав многоклеточного организма, специализированы, т. е. могут осуществлять только узкий круг задач и не способны самостоятельно существовать вне организма. У многоклеточных организмов взаимосвязь и взаимозависимость многих клеток приводит к созданию нового качества, неравнозначного простой их сумме. Элементы организма – клетки, ткани и органы – в сумме ещё не представляют собой целостный организм. Лишь соединение их в исторически сложившемся в процессе эволюции порядке, их взаимодействие образует целостный организм, которому присущи определённые свойства.
1.1. Уровни организации живой материиЖивая природа представляет собой сложно организованную иерархическую систему. Учёные-биологи на основании особенностей проявления свойств живого выделяют несколько уровней организации живой материи (рис. 1.1).
Молекулярно-генетический уровень. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, функционирует на уровне взаимодействия биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. На этом уровне начинается осуществление важнейших процессов жизнедеятельности организма: обмена веществ и превращения энергии, хранения и реализации наследственной информации, передачи признаков и свойств из поколения в поколение и др.
Клеточный уровень. Клетка – структурная и функциональная единица, а также единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле. Неклеточных форм жизни нет, а существование вирусов и бактериофагов лишь подтверждает это правило, так как они могут проявлять свойства живых систем только в клетках растений, животных или микроорганизмов.
Тканевый уровень. Ткань представляет собой совокупность клеток различных типов и межклеточного вещества, объединённых выполнением общих функций. Например, кровь включает в себя клеточные элементы – эритроциты, лейкоциты и тромбоциты, а межклеточным веществом служит плазма.
Органный уровень. У большинства животных орган – это структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей, пространственно-изолированное от других органов, занимающее определённое место в организме и выполняющее целый ряд определённых функций. Например, кожа человека как орган включает эпителий и соединительную ткань – дерму, которые вместе выполняют целый ряд функций. Основная из функций – защитная. Органы объединены в системы. Например, выделяют сердечно-сосудистую, мочеполовую, пищеварительную, дыхательную системы органов.
Организменный уровень. Организм представляет собой целостную одноклеточную или многоклеточную живую систему, способную к самостоятельному существованию, интегрированную в сообщество себе подобных и неразрывно связанную с абиотическими и биотическими факторами окружающей среды. Одноклеточный организм, как следует из названия, представлен одной клеткой. Это все прокариоты, а из эукариот – одноклеточные растения (хлорелла), животные (амёба) и грибы (пенициллиум). Многоклеточный организм образован совокупностью тканей и органов, выполняющих наборы специфических функций.
Популяционно-видовой уровень. Вид представляет собой систему надорганизменного уровня. Видом принято считать совокупность особей, сходных по структурно-функциональной организации, единых по происхождению, сходных в своих поведенческих реакциях, имеющих одинаковый кариотип, занимающих определённый ареал обитания, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство, а также взаимодействующих определённым образом с факторами среды обитания и представителями других видов.
Вид реально существует в форме популяций – отдельных групп организмов, частично или полностью изолированных от других таких же совокупностей организмов своего вида. Именно в этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования.
Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз – совокупность живых организмов разного уровня организации, проживающих на одной территории, и факторов окружающей среды, влияющих на них. В биогеоценозе выделяют два компонента: биоценоз и экотоп. Под биоценозом понимают совокупность живых организмов различных систематических групп, обитающих на одной территории. Экотоп представляет собой совокупность факторов среды, воздействующих на биоценоз.
Биосферный уровень. Биосфера – самый высокий уровень организации жизни на нашей планете. Она представляет собой, по определению В. И. Вернадского, оболочку планеты, заселённую живыми организмами. В биосфере выделяют живое вещество – совокупность всех живых организмов, неживое, или косное, вещество, биокосное и биогенное вещество. По ориентировочным оценкам, биомасса живого вещества составляет около 2,5×10 12 т. Причём биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2 % представлена зелёными растениями. На биосферном уровне происходят круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле.
Опорные точки
Органические молекулы составляют основную массу сухого вещества клетки.
Клетка является наименьшей структурно-функциональной единицей организации, а также единицей размножения и развития всех живых организмов.
Возникновение тканей и органов у многоклеточных животных и растений ознаменовало специализацию частей организма на выполнение различных функций.
Интеграция органов в системы привела к ещё большему усилению их функций и к ещё большим возможностям организма по использованию среды обитания.
Рис. 1.1. Уровни организации живого
Вопросы и задания для повторения
1. Что такое биологические макромолекулы и какова их роль в обеспечении процессов метаболизма в живых организмах?
2. В чём заключаются принципиальные различия клеток живых организмов, относящихся к различным царствам природы?
3. В чём сущность цитологических, гистологических и анатомических методов исследования живой материи?
4. Что называют биогеоценозом?
5. Как можно охарактеризовать биосферу Земли?
1.2. Критерии живых системВопросы и задания для обсуждения
1. Как вы считаете, в чём заключается необходимость выделения различных уровней организации живой материи?
2. Укажите критерии выделения различных уровней организации живой материи.
3. Каковы сущность и проявления основных свойств живого на разных уровнях организации?
4. Чем биологические системы отличаются от объектов неживой природы?
Рассмотрим подробнее признаки и свойства, отличающие живые системы от объектов неживой природы, и основные характеристики процессов жизнедеятельности, выделяющие живое вещество в особую форму существования материи.
Особенности химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. Элементный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т. д. В живых организмах 98 % химического состава приходится на четыре элемента – углерод, кислород, азот и водород. В живых телах эти элементы участвуют в образовании сложных органических молекул, распространение которых в неживой природе принципиально иное как по количеству, так и по существу. Подавляющее большинство органических молекул окружающей среды представляют собой продукты жизнедеятельности организмов.
В живом веществе органические молекулы подразделяются на несколько основных групп, характеризующихся определёнными специфическими функциями и в большинстве своём представляющих собой биологические полимеры. Во-первых, это нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, свойства которых обеспечивают хранение, передачу и реализацию наследственной информации, т. е. явления наследственности и изменчивости, а также самовоспроизведение. Во-вторых, это белки – основные структурные компоненты клеток и межклеточного вещества, регуляторы морфофизиологических процессов и биологические катализаторы. В-третьих, углеводы и жиры – структурные компоненты биологических мембран и клеточных стенок, главные источники энергии, необходимой для обеспечения процессов жизнедеятельности. И наконец, огромная группа так называемых «малых молекул», принимающих участие в многочисленных и многообразных процессах обмена веществ – метаболизма в живых организмах. Это, например, витамины, органические кислоты и др.
Метаболизм. Все живые организмы способны к обмену веществами с окружающей средой, поглощая из неё органические и неорганические молекулы, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности.
В неживой (минеральной, или неорганической) природе присутствует обмен веществами, однако эти процессы имеют физическую подоплёку – перенос вещества или изменение его агрегатного состояния.
В то же время для живых организмов обмен выходит на качественно иной уровень – это химические превращения. В круговороте органических веществ самыми существенными стали реакции синтеза и распада.
Живые организмы поглощают из окружающей среды различные вещества (рис. 1.2). Вследствие целого ряда сложных химических преобразований молекулы из окружающей среды уподобляются веществам живого организма, и из них строится его тело. Эти процессы называют ассимиляцией или пластическим обменом.
Другая сторона обмена веществ – процессы диссимиляции , в результате которых сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с характерными для организма молекулами и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют энергетическим обменом (см. рис. 1.2).
Обмен веществ, наряду с процессами саморегуляции, обеспечивает гомеостаз организма (от греч. homoios – подобный, одинаковый и stasis – неподвижность, состояние), т. е. неизменность химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.
Рис. 1.2. Обмен веществ и превращение энергии на уровне организма
Единый принцип структурной организации. Все живые организмы, к какой бы систематической группе они ни относились, имеют клеточное строение. Клетка, как уже указывалось выше, является единой структурно-функциональной единицей, а также единицей развития всех обитателей Земли. Различают не имеющие ядра прокариотические (от лат. pro – перед и греч. canon – орех, ядро ореха) и имеющие ядро эукариотические (от греч. au – хорошо и карион) клетки.
Репродукция. Репродукция, или самовоспроизведение, реализуется на всех уровнях организации живой материи. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органеллы клеток (митохондрии, пластиды и др.) после деления сходны со своими предшественниками. Из одной молекулы ДНК при её удвоении образуются две дочерние молекулы, полностью повторяющие исходную.
На организменном уровне самовоспроизведение, или репродукция, проявляется в виде бесполого или полового размножения особей. При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей: кошки рожают котят, собаки – щенят, из семян тополя опять вырастает тополь. Деление одноклеточного организма – амёбы – приводит к образованию двух амёб, полностью схожих с материнской клеткой.
Таким образом, размножение – это свойство организмов воспроизводить себе подобных существ.
В основе самовоспроизведения на всех уровнях организации лежат реакции матричного синтеза, т. е. образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. Следовательно, самовоспроизведение – одно из основных свойств живого, тесно связанное с явлением наследственности.
Наследственность. Наследственность заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Признаком называют любую особенность строения на самых различных уровнях организации живой материи, а под свойствами понимают функциональные особенности, в основе которых лежат конкретные структуры. Наследственность обусловлена специфической организацией генетического вещества (наследственного аппарата) – генетическим кодом. Под генетическим кодом понимают такую организацию молекул ДНК и иРНК, при которой последовательность нуклеотидов в них определяет порядок аминокислот в белковой молекуле. Явление наследственности обеспечивается стабильностью молекул ДНК и воспроизведением её химического строения (редупликацией) с высочайшей точностью. Наследственность реализует материальную преемственность (поток информации) между организмами в ряду поколений любого вида.
Изменчивость. Под изменчивостью понимают способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства в результате изменений структуры наследственного материала, возникновения новых комбинаций генов или влияния на их развитие факторов окружающей среды.
Изменчивость выглядит как противоположность наследственности, но вместе с тем оба эти свойства тесно связаны, так как изменяются наследственные задатки – гены, определяющие развитие тех или иных признаков. Если бы репродукция молекул ДНК всегда происходила с абсолютной точностью, то при размножении организмов осуществлялась бы преемственность только существовавших прежде признаков. В этом случае приспособление видов к меняющимся условиям среды оказалось бы невозможным.
Изменчивость создаёт разнообразный материал для естественного отбора, т. е. отбора наиболее приспособленных особей к конкретным условиям существования в природных условиях. А это, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.
Рост и развитие. Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, вследствие которого изменяется его состав или структура. Развитие особи представлено индивидуальным развитием, или онтогенезом (от греч. ontos – сущее и genesis – происхождение, возникновение), а развитие живой природы – историческим развитием, или эволюцией.
На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные признаки и свойства организмов. В основе этого лежит поэтапная реализация наследственной программы.
Независимо от способа размножения все дочерние особи, образующиеся из одной зиготы или споры, почки или клетки, получают по наследству только генетическую информацию, т. е. возможность проявить те или иные признаки. Развитие сопровождается ростом. В процессе развития возникает специфическая структурно-функциональная организация индивида, а увеличение его массы (размеров тела) обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток.
Историческое развитие, или эволюция, – это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся приобретением приспособлений, образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни, а также вымиранием прежде существовавших форм. Результатом эволюции является всё многообразие живых организмов на Земле.
Возникновение отдельной группы организмов принято называть филогенезом (от греч. phylon – род, племя и генез). Под этим понимают происхождение и развитие крупной систематической группы животных или растений. Например, филогенез хордовых животных – происхождение, развитие и систематика типа хордовых; антропогенез – возникновение и становление человека и т. д.
Раздражимость. Любой организм неразрывно связан с окружающей средой: он извлекает из неё питательные вещества, подвергается воздействию благоприятных и неблагоприятных факторов среды, вступает во взаимодействие с другими организмами и т. д. В процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство избирательно реагировать на самые разнообразные внешние воздействия. Это свойство носит название раздражимости. Всякое изменение окружающих организм условий среды представляет собой по отношению к нему раздражение, а его реакция на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости.
Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется с участием нервной системы и называется рефлексом.
Организмы, не имеющие нервной системы, например простейшие или растения, лишены и рефлексов. Их реакции, выражающиеся в изменении характера движения или роста, принято называть таксисами (от греч. taxis – расположение) или тропизмами (от греч. tropos – поворот, направление), прибавляя при их обозначении название раздражителя. Например, фототаксис – движение одноклеточных к свету, хемотаксис – перемещение организма по отношению к концентрации химических веществ. Каждый вид таксиса может быть положительным или отрицательным, однако всегда организм перемещается в зону оптимальной концентрации того или иного вещества или интенсивности действия физического фактора среды. Например, фототаксис у эвглены зелёной объясняется тем, что способное к фотосинтезу одноклеточное животное при нормальных условиях стремится к более освещённому участку среды обитания (положительный фототаксис). При этом, если на клетку воздействует свет слишком сильной интенсивности, это вызовет перемещение организма в зону меньшей освещённости (отрицательный фототаксис) или даже его гибель.
Под тропизмами понимают определённый характер роста, который свойствен растениям. Так, гелиотропизм (от греч. helios – Солнце) означает рост побеговой системы растений (стебля, листьев) по направлению к Солнцу, а геотропизм (от греч. geo – Земля) – рост подземных частей (корней) в направлении к центру Земли.
Также для растений характерны настии (от греч. nastos – уплотнённый) – движения отдельных частей растительного организма, например движение листьев в течение светового дня, зависящее от положения солнца на небосводе, раскрытие и закрытие венчика цветка и т. д.
Дискретность. Само это слово произошло от латинского слова discretus, что означает «прерывистый, разделённый». Дискретность – всеобщее свойство материи. Так, из курса физики и химии известно, что каждый атом обособлен и состоит из элементарных частиц и что атомы образуют молекулу. Простые молекулы входят в состав сложных соединений.
Жизнь на Земле также проявляется в виде дискретных форм. Это означает, что отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и др.) состоит из отдельных изолированных, т. е. обособленных или ограниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Например, любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи построено из пространственно отграниченных органов, которые, в свою очередь, состоят из отдельных клеток. Энергетический аппарат клетки представлен отдельными митохондриями, аппарат синтеза белка – рибосомами и т. д. вплоть до макромолекул, каждая из которых может выполнять свою функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других.
Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности. Она создаёт возможность его постоянного самообновления путём замены «износившихся» структурных элементов (молекул, ферментов, органоидов клетки, целых клеток) без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции путём гибели или устранения от размножения неприспособленных особей, сохранения и размножения индивидов с полезными для выживания признаками.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ
Вопрос 1. Что такое биологические макромолекулы и какова их роль в обеспечении процессов метаболизма в живых организмах?
Макромолекулами принято называть очень крупные, обычно полимерные (многозвенные) молекулы. В живых организмах различают четыре типа макромолекул: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Они образуют химическую основу клеток, хотя некоторые углеводы и белки входят также в состав межклеточного вещества, обычно вместе с солями (основное вещество хряща, кости).
Вопрос 2. В чём заключаются принципиальные различия клеток живых организмов, относящихся к различным царствам природы?
Развитие живой природы на земле привело к образованию нескольких Царств организмов - растений, животных, грибов, бактерий, лишайников. Особенность молекулярной организации растительных клеток состоит в том, что в них находится фотосинтезирующий пигмент - хлорофилл. Благодаря фотосинтезу в атмосфере Земли накапливается - кислород и ежегодно образуются сотни миллиардов тонн органических веществ. Клетки животных лишены твердых оболочек, пластид, вакуолей. В клетках грибов присутствует хитиновая оболочка. Клетки лишайников представляют собой симбиоз растений и гриба.
Вопрос 3. В чём сущность цитологических, гистологических и анатомических методов исследования живой материи?
Современные методы гистологических исследований весьма многочисленны и разнообразны. Они позволяют производить структурный и гистохимический анализ гистологических объектов на микроскопическом и субмикроскопическом уровнях. Основным этапом гистологического изучения животных тканей является исследование объекта средствами классического микроскопического метода, сущность которого определяется фиксацией материала исследования с последующим приготовлением окрашенных срезов.
В ходе цитологического исследования изучают структуру клеток для выявления злокачественных, доброкачественных опухолей и поражений неопухолевой природы. Основное назначение исследования – подтверждение или опровержение факта злокачественности взятых для анализа клеток. Методы цитологического исследования основаны на изучении под микроскопом строения клеток, клеточного состава жидкостей и тканей.
Вопрос 4. Что называют биогеоценозом?
Понятие о биогеоценозе ввел в научный обиход в 1942 году академик Владимир Николаевич Сукачёв (1880-1967). Согласно его представлениям, биогеоценоз - это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая специфику взаимодействия этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы.
Биогеоценоз - открытая биокосная (т. е. состоящая из живого и неживого вещества) система, основным источником внешней энергии для которой является энергия солнечного излучения. Эта система состоит из двух основных блоков. Первый блок, экотоп, объединяет все факторы неживой природы (абиотической среды). Второй блок, биоценоз, представляет собой совокупность всех видов организмов. В функциональном отношении биоценоз состоит из автотрофов - организмов, способных на основе использования энергии солнечных лучей создавать органическое вещество из неорганического, и гетеротрофов - организмов, использующих в качестве источника вещества и энергии созданное автотрофами органическое вещество.
Вопрос 5. Как можно охарактеризовать биосферу Земли?
Биосфера (от греч. «биос» - жизнь, «сфера» - шар) - это область существования и распространения живого вещества. Академик В. И. Вернадский сформулировал понятие биосферы Земли следующим образом: «Биосфера есть организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью, и ее пределы обусловлены прежде всего полем существования жизни». Он считал, что биосфера геологически вечна. Следовательно, биосфера - это самая крупная экологическая система, система высшего ранга. В современном состоянии она охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового слоя, всю гидросферу, педосферу и верхнюю часть литосферы до глубины распространения живых микроорганизмов. Если верхняя граница биосферы достаточно четкая, то нижняя расплывчата и- изменяется не только от Мирового океана к континентам, но и в пределах самих континентов. В их пределах и под дном океанов она ограничивается температурами существования микроорганизмов.
Биосфера Земли функционирует благодаря взаимодействию с атмосферой, гидросферой и литосферой, получая от них энергию, биофильтруя вещества и химические соединения, необходимые для жизнедеятельности.
ВОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ
Вопрос 1. Как вы считаете, в чём заключается необходимость выделения различных уровней организации живой материи?
В процессе эволюции происходило постепенное усложнение организации живой материи, причем по мере образования очередного уровня предыдущий входил в него как составная часть. В результате окружающий нас мир живых существ представляет собой совокупность биологических систем разной степени сложности. Это и обуславливает необходимость выделения различных уровней организации живой материи. Чрезвычайно важно также то, что объединение нескольких систем, принадлежащих к одному уровню (например, клеток), дает не просто арифметическую сумму их свойств. Происходит подъем на качественно более высокую ступень, и новая система обладает расширенными возможностями и способностями (ткань, многоклеточный организм).
Вопрос 2 Укажите критерии выделения различных уровней организации живой материи.
Концепция структурных уровней позволяет не только описать живые организмы по уровням их сложности и закономерностям функционирования, но и расположить в иерархическом порядке, при котором каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Тем самым представление уровней организации хорошо сочетается с целостностью организма. Критерием выделения базовых уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия.
Вопрос 3 Каковы сущность и проявления основных свойств живого на разных уровнях организации?
Для всех уровней организации живой материи на Земле характерно единство химического и биохимического состава; обязательно присутствие основных макромолекул (см. ответ на Вопрос 3). Каждый уровень представляет собой целостную систему, состоящую из взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Наличие этого взаимодействия обеспечивает саморегуляцию системы, ее рост, развитие и общее увеличение биомассы (размножение). Наконец, на любом уровне организации живой материи мы наблюдаем процессы обмена веществ и энергии с окружающей средой, а также способность отвечать на изменения окружающего мира и приспосабливаться к ним. Конечно, клетка и экосистема по-разному отвечают, например, на повышение температуры или сезонные изменения освещенности, но сам принцип реагирования (раздражимости) присущ живой материи на любой ступени ее организации.
Вопрос 4 Чем биологические системы отличаются от объектов неживой природы?
Живые организмы характеризуются гораздо более сложным устройством, чем неживые тела.
Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Если, например, вы толкнете камень, то он пассивно сдвинется с места, а если толкнуть животное, то оно отреагирует активно: убежит, нападет, изменит форму и т.д. Способность реагировать на внешние раздражения -- это всеобщее свойство живых существ, как растений, так и животных.
Все живое размножается. Причем потомство и похоже на родителей, и в то же время чем-то от них отличается.
Живые организмы хорошо приспособлены к среде своего обитания. Строение птицы, рыбы, лягушки, дождевого червя полностью соответствует тем условиям, в которых они живут. Этого никак нельзя сказать о неживых телах: камню, например, «все равно», где находиться -- он может лежать на дне реки или валяться в поле, или летать вокруг Земли в качестве ее естественного спутника.
В чем заключаются принципиальные различия клеток живых организмов, относящихся к различным царствам природы?
Клетка представляет собой структурную единицу всех живых организмов вне зависимости от уровня их организации. Это элементарная единица живой системы. В природе нет более мелких систем, которым были бы присущи все свойства живого. По особенностям клеточной организации живые организмы делятся на прокариот - безъядерных и эукариот - ядерных. К прокариотам относят царство Дробянки, а к эукариотам - царства Животные, Растения и Грибы.
Основные отличия эукариотических и прокариотических клеток представлены в таблице.
| Эукариоты | Прокариоты |
| 1. Имеется ядро, ограниченное оболочкой, состоящей из двух мембран, генетический материал хранится внутри ядра - в хромосомах. Единовременно, как правило, функционирует небольшое количество генов, в особенности в клетках многоклеточных организмов. | 1. Ядро отсутствует; кольцевая молекула ДНК свободно расположена в цитоплазме, не связана с белками и не образует спиралей высокого уровня. Непрерывно работает большинство генов. |
| 2. Дыхание аэробное, происходит в митохондриях. | 2. Дыхание происходит на внутренней поверхности цитоплазматической мембраны и в мезосомах - впячиваниях плазматической мембраны. |
| 3. Клетке присущ мембранный принцип строения. Органелл много, некоторые из них имеют две мембраны (митохондрии, хлоропласты). | 3. Органелл мало; представлены только рибосомы, видоизмененный аппарат Гольджи и лизосомы. Внутренних мембран нет. |
| 4. Размеры эукариотической клетки в 1000 – 10 000 раз больше, чем у прокариот, могут достигать 40 мкм, у некоторых одноклеточных организмов - нескольких миллиметров. | 4. Размеры клеток прокариот - от 0,5 до 5 мкм. |
| 5. Существуют в виде одноклеточных организмов и образуют многоклеточные организмы. | 5. Существуют только в виде одноклеточных организмов. |
| 6. Животные клетки не имеют клеточной стенки; растительные обладают клеточной стенкой из целлюлозы, грибы имеют клеточную стенку из хитина. | 6. Имеют клеточную стенку, состоящую из муреина. |
| 7. Размножение (деление) осуществляется путем митоза. | 7. Размножаются путем простого деления надвое, чему предшествует удвоение кольцевой хромосомы. |
Эукариотические клетки представителей различных царств живой природы имеют определенные отличия друг от друга.
1. У клеток представителей царства животных клеточной стенки нет, растительные клетки имеют клеточную стенку из целлюлозы, клеточная стенка клеток грибов состоит из хитина.
2. Клетки растений содержат пластиды, в клетках грибов и животных их нет. Пластиды - двумембранные органеллы, присущие только растительным клеткам. В них происходят процессы фотосинтеза и депонируются питательные вещества.
3. Для растительных клеток характерно наличие крупных вакуолей, тогда как в клетках животных они встречаются редко.
4. В клеточных стенках растений и грибов имеются плазмодесмы - поры, выстланные плазматической мембраной и содержащие цитоплазму. Посредством плазмодесм клетки сообщаются между собой.
Сходство и различия в строении клеток растений, животных и грибов
Сходство в строении клеток эукариот.
Сейчас нельзя с полной уверенностью сказать, когда и как возникла на Земле жизнь. Мы также точно не знаем, как питались первые живые существа на Земле: авготрофно или гетеротрофно. Но в настоящее время на нашей планете мирно сосуществуют представители нескольких царств живых существ. Несмотря на большое различие в строении и образе жизни, очевидно, что между ними сходств больше, чем различий, и все они, вероятно, имеют общих предков, живших в далекой архейской эре. О наличии общих «дедушек» и «бабушек» свидетельствует целый ряд общих признаков у клеток эукариот: простейших, растений, грибов и животных. К этим признакам можно отнести:
Общий план строения клетки: наличие клеточной мембраны, цитоплазмы
, ядра, органоидов;
- принципиальное сходство процессов обмена веществ и энергии в клетке;
- кодирование наследственной информации
при помощи нуклеиновых кислот;
- единство химического состава клеток;
- сходные процессы деления клеток.
Различия в строении клеток растений и животных.
В процессе эволюции, в связи с неодинаковыми условиями существования клеток представителей различных царств живых существ, возникло множество отличий. Сравним строение и жизнедеятельность клеток растений и животных (табл. 4).
Главное отличие между клетками этих двух царств заключается в способе их питания. Клетки растений, содержащие хлоропласты,являются автотрофами, т. е. сами синтезируют необходимые для жизнедеятельности органические вещества за счет энергии света в процессе фотосинтеза. Клетки животных - гетеротрофы, т. е. источником углерода для синтеза собственных органических веществ для них являются органические вещества, поступающие с пищей. Эти же пищевые вещества, например углеводы, служат для животных источником энергии. Есть и исключения, такие как зеленые жгутиконосцы, которые на свету способны к фотосинтезу, а в темноте питаются готовыми органическими веществами. Для обеспечения фотосинтеза в клетках растений содержатся пластиды, несущие хлорофилл и другие пигменты.
Так как растительная клетка имеет клеточную стенку, защищающую ее содержимое и обеспечивающую постоянную ее форму, то при делении между дочерними клетками образуется перегородка, а животная клетка, не имеющая такой стенки, делится с образованием перетяжки.
Особенности клеток грибов.
Таким образом, выделение грибов в самостоятельное царство, насчитывающее более 100 тыс. видов, абсолютно оправдано. Свое происхождение грибы ведут или от древнейших нитчатых водорослей, утерявших хлорофилл, т. е. от растений, или от каких-то неведомых нам древнейших гетеротрофов, т. е. животных.
1. Чем растительная клетка отличается от животной?
2. Каковы различия в делении растительных и животных клеток?
3. Почему грибы выделены в самостоятельное царство?
4. Что общего и какие различия в строении и жизнедеятельности можно выделить, сравнивая грибы с растениями и животными?
5. На основании каких признаков можно предположить, что все эукариоты имели общих предков?
Каменский А. А., Криксунов Е. В., Пасечник В. В. Биология 10 класс
Отправлено читателями с интернет-сайта
