1. Обмен веществ и превращение энергии — главный признак живых организмов. Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь.

Живые организмы могут существовать и развиваться только при условии обмена с окружающей средой веществом и энергией. Животные поглощают органические вещества пищи, растения — растворы минеральных солей и энергию солнечного света. Все живые организмы выделяют во внешнюю среду продукты обмена и избыточную тепловую энергию. Обмен веществ у растений и холоднокровных животных сильно зависит от температуры окружающей среды, у теплокровных животных мало зависит от внешней температуры.

Процессы обмена подразделяют на

• пластический обмен, объединяющий реакции синтеза веществ, необходимых организму,

• энергетический обмен, сущность которого сводится к обеспечению организма энергией. В основном, подразумевают реакции окисления питательных веществ и синтеза АТФ.

Это две стороны единого процесса обмена веществ, так как для пластического обмена необходима энергия АТФ, а энергетический обмен невозможен без органоидов клетки, для образования и обновления которых необходимы белки и другие вещества, синтезированные в реакциях пластического обмена.

Как пример обмена можно описать знакомый материал: фотосинтез, биосинтез белка, синтез АТФ или просто расщепление пищевых веществ в желудочно-кишечном тракте.

2. Многообразие животных — результат эволюции. Одноклеточные и многоклеточные животные. Почему одноклеточные организмы существуют в природе наряду с многоклеточными?

Вопрос о происхождении современного многообразия живых существ был поставлен давно. Эволюционная теория объясняет происхождение видов как результат длительного естественного отбора на основе наследственной изменчивости.

Одноклеточные животные состоят только из одной клетки. К ним относятся амеба, инфузория-туфелька, эвглена зеленая и др.

Многоклеточные животные состоят из большого количества клеток, различающихся по строению и функциям. В то же время все клетки многоклеточного организма функционируют как единое целое, что обеспечивается с помощью нервной системы и гуморальной регуляции.

Одновременное существование в природе одноклеточных и многоклеточных организмов обусловлено тем, что биологический прогресс возможен как для видов с высокой организацией, так и для сравнительно просто устроенных. Процветание определяется наличием экологической ниши, позволяющей виду успешно вести борьбу за существование с другими видами, и способностью вида успешно приспосабливаться к новым условиям среды. Большая скорость размножения одноклеточных способствует их многочисленности и наследственной изменчивости, дающей материал для отбора.

Инфузорию-туфельку можно узнать по форме клетки, напоминающей очертания подошвы обуви.

Билет № 24

1. Дигибридное скрещивание. Установив закономерности наследования одного признака (моногибридное скрещивание), Мендель начал изучать наследование признаков, за которые отвечают две пары аллельных генов. Скрещивание, в котором участвуют две пары.аллелей, называют дигибридным скрещиванием. Мендель проводил дигибридное скрещивание, в котором гомозиготные родители отличались друг от друга по двум признакам: окраске семян (желтая и зеленая) и форме семян (гладкая и морщинистая). Появление особей с желтыми гладкими семенами свидетельствует о доминировании этих признаков и проявлении правила единообразия у гибридов Fi. При образовании гамет у особей Fi возможны четыре комбинации двух пар аллелей. Аллели одного гена всегда попадают в разные гаметы. Расхождение одной пары генов не влияет на расхождение генов другой пары.

Если в мейозе хромосома с геном А отошла к одному полюсу, то к этому же полюсу, т.е. в ту же гамету, может попасть хромосома как с геном В, так и с геном Ь. Следовательно, с одинаковой вероятностью ген А может оказаться в одной гамете и с геном В, и с геном Ь. Оба события равновероятны. Поэтому сколько будет гамет АВ, столько же и гамет АЬ. Такое же рассуждение справедливо и для гена а,т.е. число гамет аВ всегда равно числу гамет аЬ. В результате независимого распределения хромосом в мейозе гибрид образует четыре типа гамет: АВ, АЬ, аВ и аЬ в равных количествах. Это явление было установлено Г. Менделем и названо законом независимого расщепления, или вторым законом Менделя. Он формулируется так: расщепление по каждой паре генов идет независимо от других пар генов»

Решетка Пеннета. Независимое расщепление можно изобразить в виде таблицы. По имени генетика, впервые предложившего эту таблицу, она названа решеткой Пеннета. Поскольку в дигибридном скрещивании при независимом наследовании образуются четыре типа гамет, количество типов зигот, образующихся при случайном слиянии этих гамет, равно 4х4, т.е. 16. Ровно столько клеток в решетке Пеннета. Вследствие доминирования А над а и В над Ь разные генотипы имеют одинаковый фенотип. Поэтому количество фенотипов равно только четырем. Например, в 9 клетках решетки Пеннета из 16 возможных сочетаний расположены комбинации, имеющие одинаковый фенотип — желтые гладкие семена. Генотипы, определяющие данный фенотип, таковы: 1ААВВ: 2ААВЬ: 2АаВВ: 4АаВЬ,

Число различных генотипов, образующихся при дигибридном скрещивании, равно 9. Число фенотипов в Fa при полном доминировании равно 4. Значит, дигибридное скрещивание есть два независимо идущих моногибридных скрещивания, результаты которых как бы накладываются друг на друга. В отличие от первого закона, который справедлив всегда, второй закон относится только к случаям независимого наследования, когда изучаемые гены расположены в разных парах гомологичных хромосом.

2.Биогеоценоз— целостная самовоспроизводящаяся система. Сообщество живых организмов и абиотическая среда влияют друг на друга, обе части биогеоценозанеобходимы для поддержания жизни. Абиотические факторы регулируют существование и жизнедеятельность популяций. В то же самое время эти факторы находятся под постоянным влиянием самих живых организмов. Важные для жизни химические элементы (С, Н, О, N, Р) и органические соединения (углеводы, белки, жиры) образуют непрерывный поток между живым и неживым: потребление и выделение углекислого газа, кислорода, воды, образование и разложение растительного и животного опада, образование почвенных органических соединений. Живые организмы черпают из среды жизненные ресурсы (например, кислород из атмосферы в процессе дыхания и углекислый газ в процессе фотосинтеза). Они поставляют в среду продукты жизнедеятельности (например, кислород в процессе фотосинтеза и углекислый газ в процессе разложения органических веществ и дыхания). Солнечная энергия аккумулируется зелеными растениями и передается организмам всех популяций, населяющих биогеоценоз.

Саморегуляция. Поддержание определенной численности популяций основано на взаимодействии организмов в звеньях хищник — жертва, паразит — хозяин на всех уровнях пищевых цепей. Если по каким-либо причинам один из членов пищевых цепей исчезает, то виды, питавшиеся в основном исчезнувшим видом, начинают в большем количестве поедать ту пищу, которая раньше была для них второстепенной. Вследствие подобной замены пищи численность видов-потребителей сохраняется.

Массовое размножение вида в биогеоценозе регулируется прямыми и обратными связями, существующими в пищевых цепях. Нередко благодаря хорошим погодным условиям создается высокий урожай растений, которыми питается определенная популяция травоядных животных. В связи с хорошим питанием численность популяций возрастает. Травоядные сами могут быть пищей для хищников. Чем многочисленнее жертвы, тем более обеспечен едой хищник и тем интенсивнее он размножается. Следовательно, чем больше в нынешнем году жертв, тем больше на следующий год будет хищников. Возрастание количества хищников приводит к снижению численности жертв. Снижение численности жертв ведет к тому, что размножение хищника замедляется, и количество хищника и жертвы возвращается к нормальному — исходному соотношению. Колебания количества растительной пищи, травоядных животных и хищников, питающихся этими животными, сопряжены друг с другом.

Каково значение саморегуляции численности, мы понимаем особенно хорошо, сталкиваясь с явлениями, когда саморегуляция нарушается. Это обычно происходит в тех случаях, когда человек нарушает сложившуюся структуру сообществ. Например, бесконтрольная вырубка леса, загрязнение воды, уничтожение пестицидами микрофлоры почвы и др. Нарушение естественных цепей питания под воздействием антропогенного фактора, неразумное вмешательство в экосистемы может привести к неконтролируемому росту численности особей отдельных популяций и к нарушению природных экологических сообществ.

Смена биогеоценоза. Биогеоценозы формируются в течение длительной эволюции, в процессе которой происходит приспособление организмов к среде обитания и друг к другу. Каждый живой организм в результате своей жизнедеятельности изменяет среду вокруг себя, изымая из нее часть веществ и выделяя в нее продукты своего метаболизма. Поэтому длительное существование популяции на одном месте изменяет среду ее обитания таким образом, что она становится малопригодной для одних видов и пригодной для других. Вследствие этого на новом месте развивается другой, более приспособленный к новым условиям биоценоз. Поэтому с течением времени происходит развитие биогеоценоза, изменение его видовой структуры и протекающих в нем процессов. Последовательность сообществ, сменяющих друг друга во времени, носит название сукцессий, а их переходные состояния — последовательных стадий (стадий развития).

Смена экосистем под влиянием биотического (антропогенного) фактора. Мощным фактором изменения экосистем является хозяйственная деятельность человека. Воздействие человека на природные экосистемы началось давно. Оно все время усиливалось вместе с увеличением населения Земли. В последнем столетии в связи с быстрым развитием промышленности, сельского хозяйства, ростом городов влияние человека приобрело решающее значение.

Большие изменения происходят, например, в «зеленых зонах» вокруг городов, которые используются для отдыха горожан. Растительность такой территории постоянно вытаптывается людьми, гуляющими по лесу, собирающими ягоды и грибы. Надземные органы растений травмируются, почва уплотняется, снижается ее способность к удержанию влаги. Все эти факторы отрицательно влияют на лесные травы, у которых корневища располагаются прямо под лесной подстилкой. Очень сильно изменяет луговые, степные экосистемы интенсивный выпас скота. В течение нескольких лет богатые разнотравные высокопродуктивные луга и степи при неумеренном выпасе скота превращаются в бедные пустоши.

Смена биогеоценозов под воздействием антропогенного фактора — самая быстрая. Она происходит за несколько лет, а часто скачком. К таким скачкообразным сменам относятся вырубка лесов, распашка земель с созданием агроценозов, строительство водохранилищ, когда сухопутные экосистемы превращаются в водные.

Смена экосистем под влиянием абиотических факторов. Климат земного шара неоднократно менялся. При потеплении в экосистемах вследствие естественного отбора начинали преобладать более теплолюбивые виды растений, животных и микроорганизмов, при похолодании — холодоустойчивые. Периоды с малым количеством осадков характеризовались увеличением численности организмов, устойчивых к недостатку влаги. Периоды с обильными атмосферными осадками приводили к расцвету организмов с повышенными требованиями к содержанию влаги.

При климатогенных сменах экосистем в результате естественного отбора численность одних видов организмов сокращается, сокращается их ареал, они испытывают биологический регресс. Другие виды, оказавшиеся более устойчивыми в борьбе за существование, увеличивают численность, расширяют ареал обитания, т.е. обнаруживают биологический прогресс.

Билет № 25

1. Мутации — это редкие, случайно возникшие стойкие изменения генотипа, затрагивающие весь геном, целые хромосомы, их части или отдельные гены. Они могут быть полезны, вредны и нейтральны для организмов.

Геномные мутации.Геномными называют мутации, приводящие к изменению числа хромосом. Наиболее распространенным типом геномных мутаций является полиплоидия — кратное изменение числа хромосом. У полиплойдных организмов гаплоидный(п) набор хромосом в клетках повторяется не 2 раза, как у диплоидов, а значительно больше —до 10-100 раз. Возникновение полиплоидов связано с нарушением митоза или мейоза. В частности, не расхождение гомологичных хромосом в мейозе приводит к формированию гамет с увеличенным числом хромосом. У диплоидных организмов в результате такого процесса могут образоваться диплоидные (2п) гаметы. Полиплоидные виды растений довольно часто обнаруживаются в природе; у животных полиплоидия редка. Некоторые полиплоидные растения характеризуются более мощным ростом, крупными размерами и другими свойствами, что делает их ценными для генетико-селекционных работ.

Хромосомные мутации — это перестройки хромосом. Структурные изменения хромосом Многие из хромосомных мутаций доступны изучению под микроскопом. Пути изменения структуры хромосом разнообразны. Участок хромосомы может удвоиться или, наоборот, выпасть, он может переместиться на другое место и т.д. Хромосомные мутации — результат отклонений в нормальном течении процессов клеточного деления. Основная причина возникновения различных хромосомных мутаций — разрывы хромосом и хроматид и воссоединения в новых сочетаниях.

Генные мутации. Генные, или точечные, мутации — наиболее часто встречающийся класс мутационных изменений. Генные мутации связаны с изменением последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Они приводят к тому, что мутантный ген перестает работать, и тогда либо не образуются соответствующие РНК и белок, либо синтезируется белок с измененными свойствами, что проявляется в изменении каких-либо признаков организма. Вследствие генных мутаций образуются новые аллели. Это имеет важное эволюционное значение.

Поскольку мутации — редкие события, обычно на 10-100 тыс. экземпляров какого-либо гена, например гена гемоглобина, возникает одна новая мутация. Хотя мутационные события происходят редко, благодаря постоянству естественного мутационного процесса и накапливанию мутаций в генотипах различных организмов содержится значительное количество генных мутаций.

Генные мутации следует рассматривать как результат «ошибок» возникающих в процессе удвоения молекул ДНК. Изучение мутационного процесса показало, что изменяться (мутировать) могут все гены, контролирующее развитие любого признака организма. Большинство генных мутаций вредно для организма, но некоторые из них в определенных условиях жизни могут становиться полезными.

Генеративные и соматические мутации. Мутации могут возникать в любых клетках организма. Те из них, которые возникают в клетках половых зачатков и зрелых половых клетках, получили название генеративных. Мутации, возникающие во всех клетках тела, за исключением половых, называют соматическими.

Хотя механизмы возникновения обоих типов мутаций могут быть подобны, их вклад в наследование признаков и, следовательно, эволюционное значение совершенно различны. Соматические мутации проявляются мозаично, т.е. часть клеток данной ткани или органа отличается от остальных по каким-либо свойствам. Чем раньше в ходе индивидуального развития возникает соматическая мутация, тем большим оказывается участок тела, несущий мутантный признак (измененную окраску, форму или другое свойство). У растений, использующих бесполое или вегетативное размножение, соматические мутации могут иметь важное значение, особенно для селекции, поскольку вновь возникшая соматическая мутация может быть очень широко размножена и в этом отношении она становится подобной генеративной мутации. В ряде случаев новые сорта плодовых и ягодных растений были получены на основе использования соматических мутаций.

Основные положения мутационной теории. Основные положения мутационной теории формулируются следующим образом:

— мутации — это дискретные изменения наследственного материала;

• мутации — редкие события;

— мутации могут устойчиво передаваться из поколения в поколение;

— мутации возникают не направленно (спонтанно) и, в отличие от модификаций, не образуют непрерывных рядов изменчивости;

— мутации могут быть вредными, полезными и нейтральными.

2.Загрязнение биосферы и здоровье человека. В настоящее время хозяйственная деятельность человека все чаще становится основным источником загрязнения биосферы. В природную среду во все больших количествах попадают газообразные, жидкие и твердые отходы производств. Различные химические вещества, находящиеся в отходах, попадая в почву, воздух или воду, переходят по экологическим звеньям из одной цепи в другую, попадая в конце концов в организм человека.

Неумеренное применение пестицидов и минеральных удобрений привело к тому, что они в большом количестве оказались в грунтовых водах, почве и явились причиной загрязнения продуктов питания. Нарастание применения пестицидов совпадает с учащением легочных, кишечных, нервных заболеваний и у детей, и у взрослых. Научно-технический прогресс стал причиной шумового загрязнения среды. Как показали исследования, неслышимые звуки также могут оказать вредное воздействие на здоровье человека. Так, инфразвуки особое влияние оказывают на психическую сферу человека: поражаются все виды интеллектуальной деятельности, ухудшается настроение, иногда появляется ощущение растерянности, тревоги, испуга, страха, а при высокой интенсивности — чувство слабости, как после сильного нервного потрясения. Шум коварен, его вредное воздействие на организм совершается незримо, незаметно. Нарушения в организме обнаруживаются не сразу. К тому же организм человека против шума практически беззащитен. В настоящее время врачи говорят о шумовой болезни, развивающейся в результате воздействия шума с преимущественным поражением слуха и нервной системы.

Стратегия развития промышленности и энергетики и борьба с загрязнениями. Стратегическое направление развития промышленности — переход на новые вещества и технологии, позволяющие уменьшить выбросы загрязнителей. Общее правило заключается в том, что предотвратить загрязнение легче, чем ликвидировать его последствия. Для этого в промышленности применяются системы очистки сточных вод и газоулавливающие установки, на выхлопных трубах автомобилей устанавливаются специальные фильтры. Уменьшению загрязнения среды способствует переход на новые, более «чистые» источники энергии. Например, сжигание на теплоэлектростанциях природного газа вместо угля позволяет резко снизить выбросы диоксида серы. Для осуществления этих мер на развитие новых технологий требуется направлять значительные денежные средства. Этому способствует принятие специальных законов, требующих уменьшить загрязнение. Один из наиболее строгих законов об охране атмосферы, принятый в США, позволил существенно уменьшить выбросы промышленных предприятий и загрязнение воздуха в городах. Усовершенствование системы очистки стоков привело к постепенному очищению сильно загрязненных, безжизненных водоемов в Европе.

Во многих случаях загрязнение атмосферы и водоемов затрагивает интересы нескольких или даже всех стран. Для уменьшения его последствий необходимо международное сотрудничество. Пример успеха такого сотрудничества — соглашение о снижении производства хлорфторуглеродов, в котором участвуют большинство государств мира, в том числе и СНГ. Стратегия развития сельского хозяйства. В настоящее время объем мировой сельскохозяйственной продукции растет быстрее, чем население. Однако этот рост сопровождается существенными издержками: сведением лесов для расширения посевных площадей, засолением и эрозией почв, загрязнением среды удобрениями и ядохимикатами. Стратегическое направление в развитии сельского хозяйства — повышение урожайности, что позволит обеспечить растущее население продовольствием при сохранении прежних посевных площадей. Путей повышения урожайности несколько. Это, например, расширение орошения. При недостатке водных ресурсов необходимо внедрять капельное орошение, при котором вода не расходуется зря, а подается прямо к корням растений по трубам. Другой путь — выведение новых сортов растений. Именно получение новых сортов зерновых, более продуктивных и устойчивых к болезням, дало в последние десятилетия основной прирост сельскохозяйственной продукции (этот успех селекционеров был назван «зеленой революцией»). Урожайность повышается при правильных севооборотах, а также при переходе от монокультуры (выращивания одного вида) к смешанному культивированию (например, совместному выращиванию зерновых и бобовых). Наконец, важный путь увеличения урожайности — создание интегрированной системы защиты растений, которая наряду с химическими методами борьбы с вредителями включает правильные севообороты, приемы обработки почвы, различные биологические методы.

Сохранение природных сообществ. Сохранение природного разнообразия — основа благосостояния человечества в будущем. Разнообразие природных сообществ обеспечивает устойчивость в функционировании биосферы. Сохранение природных сообществ важно не только для материального благополучия, но и просто для полноценного существования человека.

В настоящее время ясно, что для сохранения видового разнообразия необходимо сохранить ненарушенные участки природных сообществ. Эти участки должны быть значительными по площади, так как иначе на небольших заповедных «островках» многим видам грозит вымирание. На этом пути достигнуты значительные успехи: создана сеть биосферных заповедников, в том числе в СНГ, где представлены основные сообщества. На их территории запрещена всякая хозяйственная деятельность, а вокруг созданы специальные охранные зоны. При сравнении с другими сообществами эти заповедники служат как бы эталонами, позволяющими выявить «отклонения от нормы».

27