Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический

университет им. И.И. Ползунова»

Л.Н. АЗОЛКИНА

Методическое пособие

по дисциплинам

«Биология и микробиология» ,

для студентов специальности 260303 -

«Технология молока и молочных продуктов»

«Биология» для бакалавров

Барнаул 2011

Вопросы к коллоквиуму по биологии

(по лекциям и методпособию)

1. Предмет биологии, задачи и методы изучения биологических наук.

2. Основные черты современного этапа развития биологии и прикладные отрасли биологии.

3. Классификация живых организмов по Маргелиусу и Шварцу.

4. Определение жизни и ее субстрата. Свойства живых организмов.

5. Формы жизни и уровни организации живой природы.

6. Химические элементы и неорганические соединения клетки.

7. Состав, свойства и функции белков.

8. Состав, свойства и функции углеводов.

9. Состав, свойства и функции липидов.

10. Нуклеиновые кислоты и их функции.

11. Последовательность молекулярной организации клеток.

12. Основные положения клеточной теории

13. Типы существующих клеток и их общая структура.

14. Строение биологических мембран.

15. Функции биологических мембран.

16. Мембранные органоиды клетки.

17. Ядерный аппарат клетки.

18. Структура животной клетки

19. Структура растительной клетки

20. Типы тканей и их функции.

21. Сущность роста и развития организма.

22. Периоды онтогенеза.

23. Наследственные изменения и методы их изучения.

Введение в биологию. Предмет и задачи биологии.

К концу двадцатого столетия во многих областях биологии достигнуты значительные успехи.

Информационный “взрыв”, новые открытия делают трудной задачу освоения основных концепций в биологии, причем новые концепции в биологии могут быть оценены и поняты только на фоне более “классических”, сложившихся исторически на основе знаний, накопленных человечеством за долгие годы его существования.

Органический мир не остается неизменным. Со времени появления жизни на Земле он непрерывно развивается в силу естественных причин: появляются все новые сведения, требующие систематизации и понимания причин развития связей между многими биологическими процессами, их реализации на организменном и надорганизменном уровнях.

Все объекты и процессы, изучаемые биологией, объединяет одно общее свойство - жизнь. Со времен Аристотеля человека интересуют вопросы: что такое жизнь? Чем живое отличается от неживого? Каковы наиболее общие свойства, присущие всем живым организмам? В течение долгого времени ученые не могли разрешить “загадку жизни” и видели ее качественное своеобразие в наличии в организмах“жизненной силы” (vis vitalis) - особого начала, имеющего нематериальную природу.

Название науки «биология» было предложено в 1802 г. немецким ботаником Л.Х.Тревиранусом (1779 -1864 гг.), но определение биологии, как самостоятельной дисциплины, было дано только в 1809 году крупнейшим французским ученым Ж.Б.Ламарком. Первыми сложились науки о животных (зоология) и растениях (ботаника), основы медицины - анатомия, затем - физиология. Другие крупные дисциплины, например, гидробиология (наука о сообществах водных организмов), микробиология (наука о микробах - мельчайших, невидимых невооруженным глазом организмах) и др. появились значительно позже. В настоящее время, кроме перечисленных, биология включает биохимию, цитологию, гистологию, генетику, селекцию, микологию, фармакологию, молекулярную биологию. И этот далеко не полный перечень показывает, как сложна и велика современная биология.

Биология тесно связана с химией, физикой и другими науками, изучающими закономерности неживой природы. Современная биология рассматривает организм в единстве со средой существования и с условиями жизни, во взаимоотношении с другими организмами, с которыми он прямо или косвенно связан.

Необычайно высокие темпы развития биологии в последние десятилетия сопровождаются быстровозрастающим ее значением в жизни человека. Биология остается не только теоретической основой здравоохранения и сельского хозяйства, но и открывает возможности развития новых отраслей промышленности и новые перспективы в технике и технологии (бионика, биотехнология).

Инженеры, конструкторы, судостроители, архитекторы и другие ученые в исследованиях биологов ищут новые принципы и подходы к созданию механизмов, приборов и конструкций. Быстрое развитие техники сопровождается изменением окружающей среды, поэтому так необходимо изучение биосферы, структуры Земли и процесса круговорота веществ.

Все основные явления жизни происходят на молекулярно-генетическом, клеточном, организменном, популяционно-видовом, биогеоценотическом уровнях организации живой природы. Перечисленные уровни отражают общую структуру эволюционного процесса, закономерным результатом которого является человек. Для поддержания жизни человеческого организма ему необходимо питание. Питание – это сложный биологический процесс, поддерживающий структурообразование организма и выполнение различных функций.

Основная задача специалистов – технологов молочной промышленности не только научиться изготавливать продукты из молока, но знать всю цепочку биологических превращений в кругообороте (например, синтеза аминокислот в растениях, питании животных, получении молока, изготовлении и употреблении молочных продуктов, расщеплении их до усвояемых форм и т.д.). При этом необходимо изучить особенности пищеварительной системы человека и коровы, питательность, усвояемость и безопасность пищи, действие внешних факторов на молочные продукты, являющиеся биологическими системами.

Общая биология изучает организмы с точки зрения их индивидуального и исторического развития. Индивидуальное развитие организма (или онтогенез) включает в себя исследование зарождения организма, его развитие и основные жизненные процессы. Биология стремится вскрыть закономерности, обуславливающие последовательность отдельных этапов и стадий индивидуального развития организма. Историческое развитие организма (или филогенез) также включает обширный круг проблем. Изучение прошлого и настоящего Земли дает нам представление о развитии и изменении организмов, об их эволюции. Биология изучает закономерности этого процесса, изучает факторы и направление эволюции; исследует наследственность организмов с изменением условий окружающей среды.

В основе строения и развития почти всех организмов лежит биологическая структурная единица – клетка. Каждый организм тесно связан с окружающей средой, между ними осуществляется непрерывный обмен веществ и энергии.

Задачей молекулярной биологии является изучение основных жизненных явлений на уровне молекул, слагающих клетку: обмен веществ, наследственность, раздражимость. Молекулярная биология раскрывает широкие перспективы в области управления человеком жизненными процессами.

Генетика, достигшая больших успехов в XX столетии, изучает изменчивость и наследственность организмов и широко использует методы молекулярной биологии.

Генетика служит основой для селекции. Современная молекулярная генетика позволяет направленно изменять наследственную природу организма и придавать ему наследственные свойства, которыми организм не обладал (генная инженерия). Перед генетикой открываются широкие перспективы по изменению на пользу человека наследственной природы различных организмов – микроорганизмов, растений, животных, используемых в медицине и народном хозяйстве.

В природе организмы входят в состав определенных комплексов – биогеоценозов, состоящих из определенных растений, животных, микроорганизмов. Биосфера Земли играет важную роль в формировании ее поверхности, образовании горных пород, атмосферы и гидросферы. Наличие в воздушной оболочке Земли свободного кислорода связано с жизнедеятельностью зеленых растений, выделяющих его в процессе фотосинтеза. Кислород обеспечивает существование современных животных и растений.

Знание биологических законов помогает человеку в управлении живой природой, использованию естественных богатств – лесов, лугов, рек, изготовлении продуктов питания с регулируемыми микробиологическими процессами, в борьбе с наследственными и инфекционными заболеваниями и т.д.

ТЕМА: общая характеристика живого

1.Живые и неживые системы, их свойства

Существуют различные точки зрения на проблему происхождения жизни, мы вынуждены признать, что не можем дать точного определения, что же такое жизнь и не можем сказать, как и когда она возникла

Мы окружены системами, более того мы сами – система, и состоим мы из множества систем. Система – это совокупность взаимосвязанных, расположенных в определенном порядке частей какого-либо единого целостного образования или совокупность принципов какой-либо теории.

Различают системы живые и. неживые. Неживыми системами пользуются в математике – системы аксиом и определений, системы счислений, существуют системы информации и т.д.

Живые системы являются категориями биологическими.

Чем отличаются живые системы от неживых систем?

Важнейшая особенность живых систем заключается в том, что их существование невозможно без притока в них энергии, обмена веществ и обмена информацией. Они как бы взаимодействуют со средой и по этой причине являются открытыми системами.

Для живых систем характерна способность к самовоспроизводству, саморегуляции и самовосстановлению, для этого они обладают способностью к восстановлению повреждений собственного генетического материала – зто основные свойства живых систем.

Элементарной биологической системой является клетка. Немецкие ученые Маттиас Шлейден и Теодор Шванн сформулировали клеточную теорию строения организмов. Основные положения современной клеточной теории:

1. Клетка является структурно – функциональной единицей, а также единицей развития всех живых организмов.

2. Клеткам присуще мембранное строение.

3. Клетка размножается только делением.

4. Клеточное строение организмов -свидетельство того, что все живые организмы имеют единое происхождение.

2.Сущность жизни

В 1953 году Джордж Уотсон и Ф. Крик расшифровали молекулярную структуру ДНК и с этого времени биохимия и вообще биология начала отсчет новой эры познания живой материи.

Все живое построено из тех же химических элементов, что и неживое (кислород, водород, углерод, азот, сера и т.д.). В клетках они находятся в виде органических соединений – молекул белков, нуклеиновых кислот.

Каждая клетка содержит сотни разных белков, причем клетки того или иного типа обладают белками, свойственными только им. Поэтому содержимое клеток каждого типа характеризуется определенным белковым составом.

Молекулы, которые являются субстратом жизни, подвергаются непрерывным превращениям во времени и пространстве. Ферменты (особые виды белков), например, могут превратить любой субстрат в продукт реакции в исключительно короткое время.

В качестве субстрата жизни внимание привлекают нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки. Нуклеиновые кислоты – это сложные химические соединения, содержащие углерод, кислород, водород, азот и фосфор. ДНК является генетическим материалом клеток, определяет химическую специфичность генов. Под контро­лем ДНК идет синтез белков, в котором участвуют РНК.

Белки – это также сложные химические соединения, содержащие углерод, кислород, водород, азот, серу, фосфор. Молекулы белков характеризуются большими размерами, чрезвычайным разнообразием, которое создается аминокислотами, соединенными в полипептидных цепях в разном порядке. Большинство клеточных белков представлено ферментами. Они выступают также в роли структурных компонентов клетки. Каждая клетка содержит сотни разных белков, причем клетки того или иного типа обладают белками, свойственными только им. Поэтому содержимое клеток каждого типа характеризуется определенным белковым составом.

Ни нуклеиновые кислоты, ни белки в отдельности не являются субстратами жизни. В настоящее время считают, что субстратом жизни являются нуклеопротеиды (соединения нуклеиновых кислот и белков – протеидов) Они входят в состав ядра и цитоплазмы клеток животных и растений. Из них построены хроматин (хромосомы) и рибосомы. Они обнаружены на протяжении всего органического мира – от вирусов до человека. Можно сказать, что нет живых систем, не содержащих нуклеопротеидов. Однако важно подчеркнуть, что нуклеопротеиды являются субстратом жизни лишь тогда, когда они находятся в клетке, функционируют и взаимодействуют там. Вне клеток (после выделения из клеток) – они являются обычными химическими соединениями. Следовательно, жизнь есть, главным образом, функция взаимодействия нуклеиновых кислот и белков, а живым является то, что содержит самовоспроизводящую молекулярную систему в виде механизма воспроизводства нуклеиновых кислот и белков.

В отличие от живого различают понятие «мертвое», под которым понимают совокупность некогда существовавших организмов, утративших механизм синтеза нуклеиновых кислот и белков, т. е. способность к молекулярному воспроизведению. Например, «мертвым» является известняк, образованный из остатков живших когда-то организмов.

Наконец, следует различать «неживое», т. е. ту часть материи, которая имеет неорганическое (абиотическое) происхождение и ничем не связана в своем образовании и строении с живыми организмами. Например, «неживым» является известняк, образованный из неорганических вулканических известняковых отложений.

Итак, как живое, так и неживое построены из молекул, которые изначально являются неживыми. Тем не менее, живое резко отличается от неживого. Причины этого глубокого различия определяются свойствами живого, а молекулы, содержащиеся в живых системах, называют биомолекулами.

3.Свойства живых организмов

Признаки живой материи, которые отличают ее от неживой – это прежде всего:

Питание.

Пища нужна всем живым существам. Она служит им источником энергии и веществ, необходимых для роста и других процессов жизнедеятельности. Живые организмы используют только два вида энергии – это энергия солнечного света и энергия химических связей. Организмы, специализированные для использования световой энергии, осуществляют фотосинтез и содержат пигменты, в том числе хлорофилл, способные поглощать свет. К таким организмам относятся растения, водоросли и некоторые наиболее простые организмы, включая бактерии. Организмы, не способные к фотосинтезу, должны получать химическую энергию (т. е. энергию, запасенную в химических связях.

Различные способы питания обусловливают фундаментальные различия между разными организмами.

Дыхание.

Все процессы жизнедеятельности происходят с потреблением энергии, источником которой служит основная масса поступающих с пищей органических веществ. При расщеплении определенных органических соединений в процессе клеточного дыхания происходит высвобождение энергии химических связей с одновременным ее запасанием в богатых энергией молекулах аденозинтрифосфата (АТФ). Это соединение, содержащееся во всех живых клетках, иногда называют «универсальным носителем энергии» или «универсальной энергетической валютой».

Раздражимость.

Все живые существа способны реагировать на изменения внешней и внутренней среды, что резко повышает их способность к выживанию. Например, кровеносные сосуды кожи млекопитающих при повышении температуры тела расширяются, рассеивая избыточное тепло и тем самым восстанавливая оптимальную температуру тела. А зеленое растение, которое стоит на подоконнике и на которое свет падает только с одной стороны, тянется к свету, поскольку фотосинтез может происходить лишь при достаточно хорошей освещенности.

Подвижность.

Некоторые живые организмы, такие как животные и бактерии, способны перемещаться из одного места в другое, иными словами, они подвижны. Им необходимо это, чтобы добывать пищу в отличие от других организмов, например растений, которые сами способны создавать себе необходимую пищу из «сырья», получаемого в одном и том же месте. Тем не менее, и у растений можно наблюдать движения некото­рых их частей. Так, например, листья тянутся к свету, а у некоторых растений цветки закрыва­ются на ночь.

Выделение.

Выделение, или экскреция, – это выведение из организма «шлаков» – ненужных продуктов обмена веществ. К шлакам, например, относятся диоксид углерода (углекислый газ), который должен обязательно выводиться, поскольку, накапливаясь в избытке, он оказывает вредное действие. Животные получают с пищей много белков; эти вещества в организме не запасаются, поэтому они должны расщепляться и выводиться из организма. Таким образом, выделение у животных сводится в основном к экскреции азотистых веществ.

Размножение.

Продолжительность жизни организмов ограничена, однако все они обладают способностью непрестанно «поддерживать жизнь», обеспечивая выживание вида. Вид выживает в результате того, что родители передают потомству свои основные признаки, независимо от того, возникло ли потомство в результате полового или бесполого размножения. В поисках причин, обусловливающих такую передачу признаков (наследо­вание), «редукционисты» открыли нуклеиновые кислоты – ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту) и РНК (рибонуклеиновую кислоту). В молекулах этих кислот содержится закодированная информация, передающаяся от одного поколения организмов другому, следующему за ним.

Рост.

Объекты неживой природы (например, кристаллы или сталагмиты) растут путем наращивания вещества на своей наружной поверхности. Живые же существа растут изнутри, используя питательные вещества, поступающие в организм с пищей. В результате ассимиляции этих веществ образуется новая живая материя.

Перечисленные выше семь главных признаков живого в той или иной степени присущи всем организмам. Все эти признаки – лишь наблюдаемые проявления главных свойств мате­рии, т. е. ее способности извлекать, накапливать и использовать энергию извне. Но, кроме того, живая материя способна не только поддерживать, но и увеличивать свои энергетические запасы. В отличие от живой материи мертвое органическое вещество легко разрушается под действием механических и физических факторов среды. Живые существа обладают встроенной системой саморегуляции, которая поддерживает процессы жизнедеятельности и препятствует неуправляемому распаду структур и веществ и бесцельному выделению энергии. Такая регуляция направлена на поддержние гомеостаза на всех уровнях организации живых систем – от молекул до целых сообществ.

4.Уровни организации живого

Живая природа является неоднородной целостной системой, которой свойственна иерархическая организация (иерархия – от греч. "hieros" – священный, "arhe" – власть – расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему) выделяют следующие уровни организации живой природы:

Биосферный.

Биосфера (от греч. bios – жизнь и греч. Spheare – шар) – вся совокупность органического мира совместно с окружающей средой;

Биогеоценотический.

Биогеоценозы – однородные участки земной поверхности с определенным составом живых (биоценозы) и других компонентов природы (приземный слой атмосферы, солнечная энергия, почва, горные породы и др.) объединенные обменом вещества и энергии в единый природный комплекс;

Популяционно-видовой.

Популяция – совокупность всех представителей данного вида, занимающих определенное пространство. Вид – совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, населяющих определенную географическую территорию и обладающих рядом общих морфофизиологических признаков и типов взаимоотношений с живой и неживой природой;

Организменный.

Организм представляет собой целостную одноклеточную или многоклеточную живую систему, способную к самостоятельному существованию. В узком смысле организм – особь, индивидуум, «живое существо »;

Органно-тканевый.

Этот уровень выделяется у многоклеточных организмов. Ткань представляет собой совокупность сходных по строению клеток, объединенных выполнением общей функции. Структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей образует определенный орган;

Клеточный.

Клетка – структурная и функциональная единица, а также единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле;

Молекулярный.

Молекулы нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, жиров и других веществ входят в состав клетки. На этом уровне начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма (обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.).

Контрольные вопросы

1. Приведите примеры живых и неживых систем вокруг нас.

2. Что является элементарной биологической системой?

3. Каковы основные признаки живой материи?

4. Назовите основные положения клеточной теории.

5. Дайте определение понятию «жизнь», «живое». Понятия –«неживое» и «мертвое» .

6. Как Вы оцениваете значение изучения растительной, животной и микробной клетки для технолога молочного производства?

7. Какие уровни организации живой природы необходимо изучить особенно подробно с целью применения этих знаний по специальности «Технология молочных продуктов»?

ТЕМА: МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО

1. Биологические молекулы

Этот уровень является глубинным в орга­низации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов, и стероидов, находящихся в клетках и, как уже отмечено, получивших название биологических молекул.

Размеры биологических молекул характеризуются довольно значительным разнообразием, которое определяется занимаемым ими пространством в живой материи. Самыми малыми биологическими молекулами являются нукдеотиды, аминокислоты и сахара. Напротив, белковые молекулы характеризуются значительно большими размерами.

Биологические молекулы синтезируются из низкомолекулярных предшественников, которыми являются окись углерода, вода и атмосферный азот и которые в процессе метаболизма превраща­ются через промежуточные соединения возрастающей молекулярной массы (строительные блоки) в биологические макромолекулы с большой молекулярной массой. На этом уровне начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности (кодирование и передача наследственной информации, дыхание, обмен веществ и энергии, изменчивость и др.).

2.Физико-химическая специфика организации клетки. Последователь-ность молекулярной организации клеток

Физико-химическая специфика этого уровня, заключается в том, что в состав живого входит большое количество химических элементов, но основной элементарный состав живого представлен углеродом, кислородом, водородом, азотом. Из групп атомов образуются молекулы, а из последних формируются сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям. Большинство этих соединений в клетках представлено нуклеиновыми кислотами и белками, макромолекулы которых являются полимерами, синтезированными в результате образования мономеров, т.е. соединения последних в определенном порядке. Кроме того, мономеры макромолекул в пределах одного и того же соединения имеют одинаковые химические группировки и соединены с помощью химических связей между атомами их неспецифических частей (участков).

Молекулы состоят из еще более мелких частиц - атомов. Полимеры ("поли"- "много", "мерос" - "часть") - это молекулы, состоящие из одинаковых или очень похожих друг на друга групп атомов (остатков мономеров: "моно" - "один"), соединенных между собой (см. рис. 13б и 14). Пищеварительные ферменты во вторичной лизосоме "разрезают" полимеры пойманной пищи на отдельные мономеры. Полимеры и их мономеры обычно имеют разные названия. Чтобы было легче запомнить эти названия, мы объединили в табл.1 сведения обо всех типах полимеров клетки.

Обычно на одном конце любого клеточного полимера к нему присоединен атом водорода, а на другом конце - группа из двух соединенных друг с другом атомов - водорода и кислорода. Подобные химические реакции (в ходе которых к каким-либо молекулам присоединяются разделенные на части молекулы воды) называют реакциями гидролиза. Пищеварительные ферменты, производящие реакции гидролиза, называют гидролазами.

Таблица 4. Полимеры и мономеры, входящие в состав живых клеток.

Полимеры	Мономеры
Белки	Аминокислоты (обычно их в клетке около 20 разных типов).
Углеводы (полисахариды):	Моносахариды:
Нуклеиновые кислоты:	Нуклеотиды:
рибонуклеиновая кислота (РНК)	нуклеотиды РНК (4 типа: А аденин, У урацил, Г гуанин, Ц цитозин)
дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)	нуклеотиды ДНК (4 типа: А, Т тимин, Г, Ц)

Все макромолекулы универсальны, т. к. построены по одному плану независимо от их видовой принадлежности.

Являясь универсальными, они одновременно и уникальны, ибо их структура неповторима. Например, в состав нуклеотидов ДНК входит по одному азотистому основанию из четырех известных (аденин, гуанин, цитозин и тиамин), вследствие чего любой нуклеотид или любая последовательность нуклеотидов в молекулах ДНК неповторимы по своему составу, равно как неповторима также и вторичная структура молекулы ДНК.

В состав большинства белков входит 100-500 аминокислот, но их последовательности в молекулах белков неповторимы, что делает их уникальными.

Рисунок 2 – Последовательность молекулярной организации клеток

Объединяясь, макромолекулы разных типов образуют надмоле-кулярные структуры, примерами которых являются нуклеопротеиды, представляющие собой комплексы нуклеиновых кислот и белков, липопротеиды (комплексы липидов и белков), рибосомы (комплексы нуклеиновых кислот и белков).

В этих структурах комплексы связаны нековалентно, однако нековалентное связывание весьма специфично. Биологическим макромолекулам присущи не­прерывные превращения, которые обеспечиваются химическими реакциями, катализируемыми ферментами. В этих реакциях ферменты превращают субстрат в продукт реакции в течение исключительно короткого времени, которое может составлять несколько миллисекунд или даже микросекунд. Так, например, время раскручивания двухцепочечной спирали ДНК перед ее репликацией составляет всего лишь несколько микросекунд.

3.Биологическая специфика молекулярного уровня

Биологическая специфика молекулярного уровня определяется функциональной специфичностью биологических молекул. Например, специфичность нуклеиновых кислот заключается в том, что в них закодирована генетическая информация о синтезе белков. Этим свойством не обладают никакие другие биологические молекулы.

Специфичность белков определяется специфической последовательностью аминокислот в их молекулах. Эта последовательность определяет далее специфические биологические свойства белков, т. к. они являются основными структурными элементами клеток, катализаторами и регуляторами различных процессов, протекающих в клетках. (ПРИЛОЖЕНИЕ 2)

Углеводы и липиды являются важнейшими источниками энергии, тогда как стероиды в виде стероидных гормонов имеют значение для регуляции ряда метаболических процессов.

Специфика биологических макромолекул определяется также и тем, что процессы биосинтеза осуществляются в результате одних и тех же этапов метаболизма. Больше того, биосинтезы нукле­иновых кислот, аминокислот и белков протекают по сходной схеме у всех организмов независимо от их видовой принадлежности. Универсальными являются также окисление жирных кислот, гликолиз и другие реакции. Например, гликолиз происходит в каждой живой клетке всех организмов-эукариотов и осуществляется в результате 10 последовательных ферментативных реакций, каждая из которых катализируется специфическим (определенным) ферментом. Все аэробные организмы-эукариоты обладают молекулярными «машинами» в их митохондриях, где осуществляется цикл Кребса и другие реакции, связанные с освобождением энергии. На молекулярном уровне происходят многие мутации. Эти мутации изменяют последова­тельность азотистых оснований в молекулах ДНК.

На молекулярном уровне осуществляется фиксация лучистой энергии и превращение этой энергии в химическую, запасаемую в клетках в углеводах и других химических соединениях, а химической энергии углеводов и других молекул – в биологически доступную энергию, запасаемую в форме макроэнергетических связей АТФ.

Наконец, на этом уровне происходит превращение энергии макроэргических фосфатных связей (АТФ - АДФ) в работу – механическую, электрическую, химическую, осмотическую. Механизмы всех метаболических и энергетических процессов универсальны.

Биологические молекулы обеспечивают также преемственность между молекулярным и следующим за ним уровнем (клеточным), т. к. являются материалом, из которого образуются надмолекулярные структуры. Молекулярный уровень является «ареной» химических реакций, которые обеспечивают энергией клеточный уровень.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные органеллы и комплексы клетки?

2. Какие виды макромолекул лежат в основе комплексов и органелл клетки?

3. Что является строительным блоком для каждой макромолекулы?

4. Назовите предшественников макромолекул.

ТЕМА: клеточный уровень организации живого.

1 История изучения клетки

Клетка является структурной единицей живого: она обладает способностью размножаться, видоизменяться и реагировать на раздражения. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции внутриклеточных структур и клеток внутри организма, размножение и развитие клеток, приспособление клеток к условиям окружающей среды.

На протяжении длительного времени человек жил в окружении невидимых существ, использовал продукты их жизнедеятельности (например, при выпечке хлеба из кислого теста, приготовлении сыра и кисломолочных продуктов, вина и уксуса), страдал, когда эти существа являлись причинами болезней или портили запасы пищи, но не подозревал об их присутствии потому, что не видел, а не видел потому, что размеры этих микросуществ лежали много ниже того предела видимости, на который способен человеческий глаз. Известно, что человек с нормальным зрением на оптимальном расстоянии (25 — 30 см) может различить в виде точки предмет размером 0,07—0,08 мм. Меньшие объекты человек заметить не может. Это определяется особенностями строения его органа зрения.

Попытки преодолеть созданный природой барьер и расширить возможности человеческого глаза были сделаны давно. Так, при археологических раскопках в Древнем Вавилоне находили двояковыпуклые линзы — самые простые оптические приборы. Линзы были изготовлены из отшлифованного горного хрусталя. Можно считать, что с их изобретением человек сделал первый шаг на пути в микромир.

Дальнейшее совершенствование оптической техники относится к XVI—XVII вв. и связано с развитием астрономии. В это время голландские шлифовальщики стекла сконструировали первые подзорные трубы. Оказалось, что если линзы расположить не так, как в телескопе, то можно получить увеличение очень мелких предметов. Микроскоп подобного типа был создан в 1610 г. Г. Галилеем. Изобретение микроскопа открыло новые возможности для изучения живой природы.

К началу XIX в., после того как появились хорошие микроскопы, были разработаны методы фиксации и окраски клеток, представления о клеточном строении организмов получили общее признание.

Одним из первых микроскоп, состоящий из двух двояковыпуклых линз, дававших увеличение примерно в 30 раз, сконструировал и использовал для изучения строения растений английский физик и изобретатель Роберт Гук (1635—1703). Рассматривая срезы пробки, он обнаружил правильное ячеистое строение древесной ткани. Эти ячейки впоследствии были названы им «клетками» и изображены в книге «Микрография» (1665).

Роберт Гук Антони ван Левенгук

Именно Р. Гук ввел термин «клетка» для обозначения тех структурных еди­ниц, из которых построен сложный живой организм. Дальнейшее проникновение в тайны микромира неразрывно связано с совер­шенствованием оптических приборов.

Первым человеком, который увидел микроорганизмы был голландец Антони ван Левенгук, мануфактурщик. Заинтересовавшись строением льняного волокна, он отшлифовал для себя несколько грубых линз и, затем так увлекся этой работой, что достиг большого совершенства в деле изготовления линз, названных им «микроскопиями».. По внешнему виду это были одинарные двояковыпуклые стекла, оправленные в серебро или латунь (то, что сейчас называют «лупа»), однако по своим свойствам линзы давали увеличении в 200-270 раз и не знали себе равных. (Достаточно напомнить, что теоретический предел увеличения двояковыпуклой линзы - 250-300 раз).

Рисунок - Титульный лист книги «Тайны природы, открытые Антонием ван Левенгуком », 1695г и иллюстрации»

Левенгук с интересом рассматривал все –воду из пруда, кровь, зубной налет и т.д. Результаты своих наблюдений он записывал и зарисовывал. Эти письма он отправлял в Лондонское Королевское общество, членом которого он впоследствии был избран.

Антоний ван Левенгук повсюду обнаруживал микроскопических обитателей, которых считал маленькими животными, называл их «анималькулями», и считал, что они также имеют органы пищеварения, ножки, хвостики.

На протяжении последующих 50 лет открытия Левенгука вызывали всеобщее изумление. Будучи в Голландии, Петр I посетил А. ван Левенгука и привез из этой поездки микроскоп.

2 Основные положения: современной клеточной теории

Клеточный уровень организации живого представлен клетками, действующими в качестве самостоятельных организмов (бактерии, простейшие и другие), а также клетками многоклеточных организмов. Главнейшая специфическая черта этого уровня заключается в том, что с него начинается жизнь. Будучи способными к жизни, росту и размножению, клетки являются основной формой организации живой материи, элементарными единицами, из которых построены все живые существа (прокариоты и эукариоты).

Теодор Шванн Маттиас Шлейден

В 1838 - 1839 гг. два немецких ученых - ботаник М. Шлейден и зоолог Т. Шванн, собрали все доступные им сведения и наблюдения в единую теорию, утверждавшую, что клетки, содержащие ядра, представляют собой структурную и функциональную основу всех живых существ.

Спустя примерно 20 лет после провозглашения Шлейденом и Шванном клеточной теории другой немецкий ученый - врач Р. Вирхов сделал очень важное обобщение: клетка может возникнуть только из предшествующей клетки. Академик Российской Академии наук Карл Бэр открыл яйцеклетку млекопитающих и установил, что все многоклеточные организмы начинают свое развитие из одной клетки и этой клеткой является зигота.

Изучение химической организации клетки привело к выводу, что именно химические процессы лежат в основе ее жизни, что все клетки живых организмов сходны по своему составу и что процессы обмена веществ протекают однотипно. Обязательными химическими компонентами каждой клетки являются два вида нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белки, липиды и углеводы.

Таблица 2 - Химический состав клетки

Органические вещества ( в % на сырую массу)	Неорганические вещества ( в % на сухую массу)
Вода………………....................75-85	Макроэлементы: Кислород………….……65-75
Белки…………………………..10-20	Углерод………...….…..15-18
Жиры..............................................1-5	Водород…………..…....8-10
Углеводы…………………….....0,2-2	Азот…………………....1,5-3
Нуклеиновые кислоты…..............1-2	Магний……………….0,02-0,03
Низкомолекулярные вещества….0,1	Железо……………… 0,01-0,015
	Микроэлементы: Медь………………….0,0002
	Иод…………………...0,0001
	Цинк…………………..0,0003
	Ультрамикроэлементы: Не превышают 0,000001
	Радий
	Золото
	Уран

Современная клеточная теория включает следующие основные положения:

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

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

Размножение клеток происходит путем их деления, т.е. каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки. Положения о генетической непрерывности относятся не только к клетке в целом, но и к некоторым из ее более мелких компонентов - к генам и хромосомам, а также к генетическому механизму, обеспечивающему передачу вещества наследственности следующему поколению,

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