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 дисциплине

«Биология и микробиология»

для студентов специальности 260303 -

«Технология молока и молочных продуктов»

Барнаул 2011

УДК 664.

Азолкина Л.Н. Методическое пособие для самостоятельной работы студента по дисциплине «Биология и микробиология» для студентов специальности 260303 - «Технология молока и молочных продуктов» / Л.Н. Азолкина; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2011. – 112 с.

Методическое пособие по дисциплине «Биология и микробиология» предназначено для получения теоретических знаний при самостоятельной работе студента.

Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Технологии продуктов питания»

Протокол 2011

Содержание

Введение в биологию. Предмет и задачи биологии…………...5

1. Система органической природы К. Линнея………...... .12

6.1. Гипотезы о происхождении Земли…………….......17

6.2. Гипотезы о происхождении жизни на Земле…………19

6.3. Коацерватная теория А.И.Опарина………………..….20

Общая характеристика живого …………………...23

1. Живые и неживые системы, их свойства………………23

2. Сущность жизни…………………………....…..…..24

3. Свойства живых организмов. ……………………..…25

4. Уровни организации живого ………………………28

Молекулярный уровень организации живого……………30

1.Биологические молекулы. ………………………………30

2.Физико-химическая специфика организации клетки. ……30

3.Биологическая специфика молекулярного уровня……..…32

Клеточный уровень организации ……………………34

1. История изучения клетки……………....….34

2. Основные положения современной клеточной теории…36

3. Типы существующих клеток и их общая структура……39

4. Строение биологических мембран…………………………

5. Функции биологических мембран. Транспорт через мембрану………………………………………………………

6. Строение животной и растительной клетки………………

7 Питание клетки. Фагоцитоз и пиноцитоз…………………73

Тканевый уровень организации …………………………….…78

1.Эпителиальная ткань………………………….…78

2.Соединительные ткани………...…………….…79

5.Мышечная ткань…………………………81

6. Нервная ткань…………………………..……..82

Организменный уровень развития ………………..83

1. Механизм роста и развития организмов……..………83

2. Периоды онтогенеза……………………..…84

3. Наследственные изменения…………………….88

4. Роль наследственности и среды в формировании фенотипа………....…89

5. Метод изучения наследственности организмов…………89

ПРИЛОЖЕНИЕ 1……………………………………………………..…...…….91

Биологическая химия……………………………………………………...…….91

1. Основы химии………………………………...…………….……………….91

1.1 Строение атома………………………………...………………..………91

1. 1.1 Ионная связь…………………………………..……………………95

1.1.2. Ковалентные связи…………………………………………….……97

1.1.3. Химические уравнения……………………………………………99

1.1.4. Кислоты, основания, соли, рН и буферы…………..……………100

1.2. Окисление и восстановление…………………………………………102

1.2.1. Окисление…………………………………………………………102

1.2.2. Восстановление………………………………………..….………103

1.4. Растворы и коллоидное состояние………………………...…………104

1.5. Диффузия и осмос…………………………………………………..…107

1.5.1. Диффузия……………………………………………….…………107

1.6. Законы термодинамики ………………………………………………107

1.6.1. Энергетические соотношения в живых системах………….…108

1.6.2. Потенциальная энергия……………………………………..……109

Вопросы к экзамену по биологии

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

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

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

4. Формы жизни и уровни организации живой природы.

5. Система органической природы К. Линнея. Классифи-кация живых организмов по Маргелиусу и Шварцу.

6. Биологические молекулы. Последовательность молекулярной организации клеток

7. Химические элементы и неорганические соединения клетки.

8. Состав, свойства и функции белков.

9. Состав, свойства и функции углеводов.

10. Состав, свойства и функции липидов.

11. Нуклеиновые кислоты и их функции.

12. Биологическая специфика молекулярного уровня

13. История изучения клетки и основные положения клеточной теории

14. Классификация живых организмов по Маргелиусу и Шварцу. Типы существующих клеток и их общая структура.

15. Строение биологических мембран.

16. Функции биологических мембран. Транспорт через мембрану.

17. Структура животной и растительной клетки

18. Ядерный аппарат клетки и рибосомы

19. Мембранные органоиды клетки.

20. Питание клетки. Фагоцитоз и пиноцитоз.

21. Типы тканей и их функции.

22. Онтогенез. Сущность роста и развития организма.

23. Периоды онтогенеза.

24. Старение организма и продолжительность жизни.

25. Наследственность и изменчивость и методы их изучения.

26. История развития микробиологии. Великие русские микробиологи.

27. Роль и значение микроорганизмов вокруг нас.

28. Систематика и классификация микроорганизмов. Правила бинарной номенклатуры

29. Отличительные признаки прокариот и эукариот

30. Грибы. Строение клетки и тела гриба. Способы размножения грибов.

31. Элементы классификации грибов. Представители низших грибов, особенности их строения.

32. Дрожжи. Способы их размножения

33. Несовершенные грибы. Особенности строения леечной и кистевидной плесени.

34. Формы, размеры и общие свойства бактерий.

35. Структура бактериальной клетки. Роль и значение капсул бактерий

36. Строение и значение клеточной стенки бактерий.

37. Подвижность бактерий.

38. Схема спорообразования, значение спор бактерий.

39. Происхождение и свойства вирусов. Бактериофаги

40. Особенности и основные пути метаболизма у микроорганизмов

41. Виды брожения. Основные признаки и сущность процессов.

42. Рост и размножение бактерий. Этапы роста и развития микроорганизмов. Диауксия.

43. Классификация микроорганизмов по типу питания и получения энергии.

44. Устройство микроскопа и правила работы с ним.

45. Оптические характеристики микроскопа. Апертура

46. Приготовление препаратов для микроскопирования.

47. Витальное окрашивание. Окрашивание фиксированных препаратов.

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.

В христианском мире к регулированию народонаселения обращались неоднократно. Особенно интерес к регулированию народонаселения обострился, когда в 1798 г. англичанин Томас Мальтус (1766 – 1834) представил новый подход к пониманию природы популяций людей. Задавшись целью выяснить, всегда ли подвержены люди бедности, голоду, болезням и войнам и может ли человек улучшить свою жизнь, Т. Мальтус сформулировал представления о факторах (силах), которые регулируют размеры популяции людей, причем его представления основывались на признаниях двух важнейших допущений, а именно: человеку для существования необходима пища, с одной стороны, человек будет репродуцировать себя непрерывно, с другой. Руководствуясь этими допущениями, Т. Мальтус предположил, что репродукция популяции человека идет в геометрической прогрессии, тогда как количество пищи производится популяцией в арифметической прогрессии .

В результате этого размеры популяции неизбежно оказываются ограниченными количеством пищи, т. е. из-за недостатка пищи размеры популяции не могут увеличиваться далее геометрически.

В начале нашего века И. И. Мечников также пришел к заключению, что превышение потребностей организмов над средствами к их удовлетворению составляет основной разлад в природе, который все же может гармонизироваться либо приспособлением организмов к новым условиям, либо уменьшением их плодовитости. Однако в случае человека эта гармонизация может достигаться сознательно либо путем увеличения средств к существованию, либо ограничением рождаемости.

Как писал И. И. Мечников в 1907 г. «...по законам природы человек в состоянии очень сильно размножаться, однако идеал его благоденствия требует ограничения плодовитости».

В настоящее время достигнута ясность, что рост мирового народонаселения в современных масштабах, действительно, вызовет трудности в обеспечении людей продовольствием и доброкачественной водой.

Важнейшая причина здесь заключается в том, что жизненное пространство (размеры Земли) никогда не увеличится, а рост производительности сельского хозяйства неизбежно будет остановлен на определенном уровне, поскольку конечная урожайность сортов растений и продуктивность пород животных, которая может быть достигнута в обозримом будущем, неизбежно будет ограничена их нормой реакции.

ТЕМА: общая характеристика живого

1. Элементарная биологическая система – клетка живого организма. Клеточная теория строения организмов.

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. Определение жизни и ее субстрата. 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.