Биология с основами экологии: Методическое указание и программа дисциплины

Федеральное агентство по образованию ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ГОУ ВПО ИГУ)

БИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ ЭКОЛОГИИ Методическое указание и программа дисциплины

Иркутск 2008

Рецензент кандидат биологических наук, доцент О. А. Бархатова Составитель кандидат биологических наук, доцент Е. В. Потапова

Приводится программа по дисциплине «Биология с основами экологии». Даны основные понятия изучаемой дисциплины по разделам, вопросы к контрольным, темы для докладов и более подробно раскрыты вопросы для самостоятельного изучения.Методическое указание предназначено для студентов географического факультета очной формы обучения I-го и II-го курса по специальности “Гидрология” и “Метеорология” и заочной формы обучения I-го курса по специальности “Природопользование”, “Гидрология” и “Метеорология”. Библиогр. 17 назв Работа выполнена при поддержке программ «Фундаментальные исследования и высшее образование» (проект НОЦ-017 «Байкал») и развитие научного потенциала высшей школы (2006 – 2008 гг.)» (проект РНП.2.2.1.1.7334).

Редактор М.А. Айзиман План 2008 г. Поз. 65 Подписано в печать 24.05.2008. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 0,5. Усл. печ. л. 1,6. Тираж 50 экз.

РЕДАКЦИОННО-ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ОТДЕЛ Иркутского государственного университета 664003, г. Иркутск, бульвар Гагарина, 36

2

Программа дисциплины «БИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ ЭКОЛОГИИ» I. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ Дисциплина «Биология c основами экологии» рассматривается как составная часть общей подготовки студентов специальностей “Природопользование”, “Гидрология” и “Метеорология” наряду с другими общеобразовательными курсами. Одновременно она входит в единый блок биологических дисциплин, обеспечивая необходимую преемственность для последующих курсов – «Биогеография», «Общая экология», «Гидробиология» и др. Цель курса Знакомство студентов с теоретическими основами биологии и экологии, систематикой и классификацией живых организмов, формирование комплекса знаний о строении и функционировании биологических систем и представлений о процессах, происходящих в природной среде. Задачами курса являются: - определение места биологии и экологии в системе биологических дисциплин; - изучение многообразия живого мира; - рассмотрение живых систем и уровней их организации; - изучение сред жизни и механизмов адаптации к ним; - рассмотрение основ генетики, селекции и генной инженерии; - изучение эволюции органического мира; - определение влияния экологических факторов на онтогенез различных групп живых организмов; - понятие возможности моделирования природных процессов; - определение фундаментальных законов природы. Место курса в профессиональной подготовке выпускника. Дисциплина «Биология с основами экологии» рассматривается как составная часть общей подготовки студентов наряду с другими общеобразовательными курсами. Она входит в единый блок биологических дисциплин, обеспечивая необходимую преемственность для последующих курсов — «Биогеография», «Общая экология» и др. и предполагает знание основных дисциплин естественнонаучного цикла – «Химия», «Физика», «География». Служит основой формирования у студентов экологического мышления, необходимого для комплексного понимания современных экологобиологических проблем. Требования к уровню освоения содержания курса. В результате изучения дисциплины студенты должны знать: ¾ современную систематику органического мира ¾ различные уровни строения и функционирования организмов ¾ отличительные признаки прокариотической и эукариотической клетки ¾ экологические категории организмов ¾ сущность онтогенеза и филогенеза ¾ теории происхождения жизни на Земле ¾ законы наследования и формы изменчивости ¾ строение и функции сфер Земли ¾ роль биосферы в круговороте вещества и энергии 3

II. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА Тема I. Наука биология. Общие положения: Раздел 1. Биология, этапы развития, методы исследования. Биология – комплексная наука о живой природе, её место в образовании и жизни человека, роль в формировании современного экологического мышления. Этапы исторического развития и становления науки. Исторические типы биологических знаний и влияние религиозных течений на методы изучения природы. Традиционная биология. Методология предмета. Связь экспериментального метода и метода моделирования процессов. Применение описательного и сравнительного метода на современном этапе развития науки. Физические и химические методы в биологии. Раздел 2. Комплекс биологических знаний. Различные направления в изучении живых систем и объектов. Вклад современных биологических данных в создании научной картины мира. Дифференциация и интеграция различных биологических наук. Зоология и ботаника, как старейшие направления биологии. Генная инженерия, радиобиология, космическая биология и другие современные направления. Подразделения биологии по объектам и задачам изучения. Применение биологических знаний. Биология как фундаментальная основа экологии, медицины, биотехнологии, а также других современных направлений науки и промышленности. Бионика. Раздел 3. Свойства живой материи. «Жизнь» – различные определения и сущность понятия. Земные условия, как уникальная совокупность появления и развития жизни. Вездесущность и разнообразие форм живого на Земле. «Химический состав» жизни. Специфичность организации и упорядоченность структур. Целостность и дискретность. Обмен веществ и обеспечение энергией живых систем. Раздражимость и психические функции организмов. Наличие онтогенетического и филогенетического развития. Наследственность и изменчивость – основа эволюции и процветания. Ритмичность жизнедеятельности организмов. Явление жизни – форма движения материи. Раздел 4. Уровни организации природы. Элементарная частица, атом, молекула – кирпичики мироздания. Клетка – основа жизни. Ткани, органы и системы органов – составляющие уровни организма. Популяционновидовой уровень – уровень эволюции. Биоценоз и экосистема – единицы формирования отношений «организм – организм» и «организм – окружающая среда». Биосфера – глобальная оболочка Земли. Солнечная система, Галактика, Вселенная. Раздел 5. Теории происхождения жизни. Представления о происхождении жизни на различных этапах становления человеческого общества. Происхождение Вселенной и происхождение жизни. Современные взгляды на возникновение органического мира. Различные подходы к вопросу о происхождении жизни. Материалистические и идеалистические теории. Теории креационизма и панспермии. Теория самозарождения или стационарного состояния. Теория абиогенеза и биогенеза. Раздел 6. Геохронологическая шкала. Шкала геологического времени. Эоны, эры и периоды в развитии земной коры и органического мира земли. Архей – эра зарождения жизни. Юра – период процветания Рептилий. Карбон и мел – периоды накопления остатков. Кайнозой – эра современной жизни. Абсолютная и относительная геохронология. Тема II. Многообразие живых организмов: 4

Раздел 7. Таксономические группы. Систематика, Классификация и Таксономия – науки о распределении биоразнообразия по группам. Разнообразие существующих классификаций. Их отличительны признаки и недостатки. Методы классификации. Морфология и физиология в качестве основы таксономии. Метод секвенирования ДНК – возможность молекулярно-генетической филогении. Современная концепция систематики. Дифференцированные систематические единицы. Вид и критерии вида. Абсолютное и относительное понятие вида. Бинарная номенклатура. Популяция, как часть вида и единица эволюции. Связь и зависимость понятий род, семейство, отряд, класс. Высшие классификационные таксоны – отдел, тип, царство. Раздел 8. Основные группы живых организмов. Разнообразие жизни на Земле. Естественные и искусственные системы. Царство Вирусов, Бактерий или Дробянок, Грибов, Растений и Животных. Группы прокариотических и эукариотических организмов. Низшие и высшие растения. Споровые и семенные. Однодольные и двудольные. Одноклеточность и происхождение многоклеточных организмов. Беспозвоночные и позвоночные животные. Первично и вторичноротые. Лучевая и билатеральная симметрия. Раздел 9. Краткая характеристика групп живых организмов. Вирусы и вирионы – как особая форма существования. История изучения. Строение и значение. Бактерии – основа пищевой промышленности и генной инженерии. Морфологические формы бактерий. Их классификация и роль в круговороте веществ в геосферах Земли. Царство грибов, особенности строения и жизнедеятельности. Промежуточность положения и гетерогенность группы. Роль грибов в очищении экосистем. Использование человеком. Лишайники – отдел или форма существования. Индикатор чистоты атмосферы. Классификация водорослей. Фитопланктон. Очищение водоёмов и почвообразование. Мхи, плауны и папоротники – современные и вымершие формы. Образование залежей органического топлива. Циклы развития и роль в природе. Голосеменные – роль в природопользовании. Покрытосеменные – самая процветающая группа растений. Классификация, строение и функции в биосфере. Вопрос происхождения и эволюции. Тип простейших животных – одноклеточная форма жизни. Паразиты, свободноживущие и симбионты. Классификация и наиболее известные представители. Тип Губки – уникальные живые организмы и слепая ветвь эволюции. Кишечнополостные – самые древние многоклеточные животные и их роль в формировании облика планеты. Плоские, Круглые и Кольчатые черви. Особенности строения и существования. Паразитизм. Тип Членистоногие – самая многочисленная группа организмов на Земле. Трудности классификации. Эволюция и роль, как составляющего звена всех экосистем. Моллюски, классификация, строение и функции. Полиморфизм и распространение. Иглокожие – носители амбулакральной системы. Тип Хордовые, классификация и эволюция. Рыбы, Птицы, Земноводные, Пресмыкающиеся и Млекопитающие – морфология, физиология и особенности систематики. Раздел 10. Категории живых организмов. Автотрофные и гетеротрофные организмы – их роль в продуктивности экосистем. Различные типы дыхания и группы организмов по отношению к свободному кислороду. Продуценты, консументы и редуценты – составляющие звенья трофической цепи. Тема III. Основы биохимии: Раздел 11. Химический состав живых организмов. Неорганические и органические вещества клетки. Макро- и микромолекулы. Мономеры и полимеры клеточного строения. Раздел 12. Атомный состав. Макро-, микро- и ультрамикроэлементы – составляющие клеточного вещества. Их формы и доли в составе организмов. Биогенные элементы. Раздел 13. Неорганические вещества. 5

Вода – основа жизни. Содержание в различных клетках и тканях. Функции воды. Минеральные соли и роль катионно-анионных реакций в организмах. Биогенные функции солей. Раздел 14. Органические вещества. Углеводы. Классификация, номенклатура. Биологическая роль изомеризации и цикличности молекул. Функции углеводов. Липиды. Сложность строения и химическое разнообразие. Растительные и животные жиры. Классы липидов и их функции в природе. Белки – их фундаментальная роль в органическом мире. Аминокислоты – структурные элементы белков. Разнообразие физико-химических свойств белков и их функции. Строение и типы нуклеиновых кислот. Их локализация и роль в организмах. Раздел 15. Обмен веществ и энергии. Сущность и значение реакций метаболизма. Генерирование и подготовка энергии. Стабилизация и использование. Анаболизм. Совокупность реакций синтеза. Ассимиляция у гетеротрофных и автотрофных организмов. Катаболизм. Энергетический потенциал обмена веществ. Роль АТФ, как универсального хранителя и переносчика энергии в метаболических процессах. Законы термодинамики в живых системах. Информация и энтропия в организмах. Регулирующие механизмы обмена веществ. Ферменты. Раздел 16. Фотосинтез. Процессы образования первичной продукции на планете. Фотосинтезирующие пигменты. Фазы фотосинтеза и уравнения реакций. Фотофосфорилирование. Хемосинтез. Раздел 17. Синтез белка. Экспрессия информации в клетках. Этапы белкового синтеза. Процесс транскрипции и трансляции. Свойства генетического кода. Другие реакции матричного синтеза. Регуляция экспрессии генов. Раздел 18. Этапы катаболизма. Подготовительный этап. Неполное окисление. Дыхание. Акцептор и доноры электронов. Гликолиз, брожение, цикл Кребса, электрон-транспортная цепь – составляющие процесса окисления. Суммарное уравнение расщепления глюкозы. Тема IV. Основы цитологии: Раздел 19. Клеточная теория. Время и история создания. Вклад различных учёных в формирование теории. Основные положения теории. Методы изучения клеток. Раздел 20. Строение прокариотической и эукариотической клетки. Особенности и различия. Структурно-функциональная организация. Уровни прокариотичеких и типы эукариотических клеток. Одноклеточные и многоклеточные организмы. Раздел 21. Органеллы клетки — их форма, строение и функции. Основные составляющие клетки – клеточная оболочка, цитоплазма, ядро и органеллы. Роль в функционировании. Различия в размерах и формах. Раздел 22. Строение растительной, животной и клетки грибов. Отличительные признаки клеток. Сходство и различие в функционировании. Раздел 23. Клеточный цикл. Определение и фазы. Амитоз – аномальная форма деления. Митоз – форма роста, регенерации и бесполого размножения. Мейоз – редукционное деление. Биологическое значение митотического и мейотического деления в развитии организмов. Тема V. Размножение организмов: Раздел 24. Бесполое размножение. Типы и распространение в природе. Размножение вирусов. Вегетативное размножение. Деление и множественное деление. Фрагментация и почкование. Спорообразование. Чередование поколений. Клонирование, как вид бесполого размножения. 6

Раздел 25. Половое размножение. Происхождение процесса и половой диморфизм. Фазы полового размножения. Гаметогенез – оогенез и сперматогенез: фазы размножения, роста и созревания. Механизм оплодотворения у разных организмов. Формирование зиготы. Гермафродитизм. Партеногенез – виды и распространение. Тема VI. Эмбриология или Биология индивидуального развития: Раздел 26. Эмбриональный период. Представление об онтогенезе. Дробление, гаструляция – фазы эмбриогенеза. Гистогенез, органогенез – заключительные стадии дифференцировки зародышевых листков. Функциональное различие между экто-, мезо- и энтодермой. Раздел 27. Постэмбриональный период. Начало, продолжительность и фазы периода. Раздел 28. Типы онтогенеза. Непрямой личиночный тип развития. Виды прямого развития у разных групп организмов. Яйцекладный тип и внутриутробный – основные признаки и осуществление жизненных функций зародышем. Тема VII. Основы генетики: Раздел 29. Основные понятия и методы. История развития науки. Гибридологический метод – основа генетики. Гены и аллели. Генотип и фенотип. Доминантные и рецессивные признаки. Гомозиготные и гетерозиготные организмы. Взаимодействие генов. Строение и локализация хромосом – наследственного материала клетки. Соматические и половые клетки в организме. Использование генеалогического метода. Обусловленность биохимического метода цитогенетикой. Применение и возможности популяционного метода. Раздел 30. Хромосомная теория. Исторические этапы становления теории. Основные положения теории. Т. Морган – создатель теории. Понятие кроссинговера. Хромосомное и нехромосомное наследование. Раздел 31. Наследственность и законы наследования. Теория наследования признаков, как процесса непрерывности жизни. Работа Г. Менделя. Закон единообразия гибридов первого поколения. Цитологические основы первого закона и расщепления во втором поколении. Статистический характер явлений расщепления. Анализирующее и возвратное скрещивание. Закон независимого комбинирования и сцепленного наследования. Аутосомы и гетерохромосомы, наследование сцепленное с полом. Раздел 32. Изменчивость и формы изменчивости. Причины появления новых признаков. Модификационная изменчивость и границы варьирования. Норма реакции различных признаков и экспрессивность. Комбинативная изменчивость – варианты возникновения. Количественные и качественные мутации. Свойства мутаций и классификация. Мутагенные факторы. Раздел 33. Селекция. Методы создания новых пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов. Методы селекции. Возможности использования различных видов отбора. Внутривидовая и межвидовая гибридизация. Полиплоидия и мутагенез. Клеточная и генная инженерия – как наиболее современные методы селекции. Достижения Н.И. Вавилова. Раздел 34. Генная инженерия. История возникновения. «Инструменты» и методы генной инженерии. Возможности и перспективы. Тема VIII. Гистология: 7

Раздел 35. Ткани растений. Ткань – результат развития живых форм. Механизмы объединения клеток в ткани способы передачи вещества, энергии и импульса. Меристематическая ткань растений, обеспечивающая рост. Виды покровных тканей. Проводящие ткани – ксилема и флоэма. Функции основных тканей. Раздел 36. Ткани животных. Морфофункциональный принцип классификации ткани животных. Строение и функции эпителиальной ткани. Виды соединительной ткани. Кровь и лимфа – проблемы происхождения и функционирования. Мышечная и нервная ткань. Тема IX. Теория эволюции: Раздел 37. Доказательство эволюции живого мира. Эволюционные идеи в истории науки. История представлений о развитии жизни на Земле. Работы К. Линнея и Ж.Б. Ламарка. Синтетическая теория эволюции. Данные сравнительной анатомии и эмбриологии – основа биогенетического закона. Геологический и палеонтологический методы доказательства эволюции. Раздел 38. Эволюционное учение Ч. Дарвина. Естественнонаучные предпосылки теории. Основные положения теории. Всеобщая индивидуальная изменчивость и избыточная численность потомства – основа эволюционного развития. Борьба за существование и естественный отбор Ч. Дарвина. Раздел 39. Факторы эволюции. Взаимодействие организма и среды – возможность процветания организмов. Элементарный эволюционный процесс. Популяционные волны и дрейф генов. Пространственная и биологическая изоляция. Стабилизирующий и движущий отбор – направляющие факторы эволюции. Раздел 40. Микроэволюция. Генетические процессы в популяциях. Эволюционное значение мутаций и инбридинга. Видообразование (симпатрическое и аллопатрическое) – завершающий этап развития. Относительный характер приспособленности организмов. Раздел 41. Макроэволюция. Эволюция надвидовых таксонов. Дивергенция и конвергенция. Гомологичные и аналогичные органы. Биологический прогресс и регрессивные направления эволюции. Ароморфозы – развитие новых свойств. Идиоадаптация или аллогенез эволюции. Катагенез – общая дегенерация организации. Правила эволюции. Филогенез основных групп организмов. Тема X. Основы экологии: Раздел 42. Аутэкология. Экология особей. Среды жизни и адаптация. Экологические факторы – абиотические, биотические и антропические. Действие факторов. Толерантность организмов. Раздел 43. Демэкология. Популяционная экология. Показатели и структура популяции. Стратегии и кривые выживания. Динамика и кривые роста. Регуляция численности и гомеостаз. Раздел 44. Синэкология. Экология сообщества. Типы взаимоотношений между организмами. Концепция экосистемы. История изучения. Структура и функционирование биогеценозов. Стабильность и динамика. Пищевые цепи, сети и понятие экологической ниши. Продуктивность экосистемы. Раздел 44. Биосферология. Происхождение геосфер Земли. Атмосфера, гидросфера и литосфера – строение, состав и функции. Границы биосферы и структурные особенности. Функции живого вещества. 8

Работа В.И. Вернадского о роли живых организмов. Круговороты вещества на Земле. Тема XI. Заключение: Раздел 46. Биологические ресурсы. Глобальный, региональный, локальный уровни охраны биологического разнообразия. Экологизация сознания. Переход от антропоцентризма к экоцентризму. Биоэтика. Вопросы для самостоятельной работы 1. История зарождения науки. 2. Влияние религиозных течений на распространение биологических сведений. 3. Исторические типы биологических знаний. 4. Становление биологии. 5. Биотехнологии в современном мире. 6. Бионика. 7. Подразделения биологии. 8. Современные направления науки. 9. Понятия о строении Солнечной системы, Галактики, Вселенной. 10. Взгляды на вопрос о происхождении жизни у разных народов. 11. В.И. Вернадский о происхождении жизни. 12. Периоды в развитии земной коры. 13. Естественные и искусственные системы классификации. 14. Вирусология. 15. Систематика бактерий. 16. Роль бактерий в различных отраслях промышленности. 17. Использование грибов человеком. 18. Характеристики отделов растений. 19. Основные типы животных. 20. Классы беспозвоночных. 21. Таксономия и характеристика позвоночных. 22. Ферментативные реакции в организмах. 23. Фотосинтезирующие пигменты растений. 24. Реакции матричного синтеза. 25. Гликолиз, брожение, цикл Кребса, электрон-транспортная цепь. 26. Методы изучения клеток. 27. Структурно-функциональная организация клеток. 28. Органеллы клетки. 29. Фазы митоза и мейоза. 30. Происхождение и дифференциация размножения. 31. Половой диморфизм. 32. Распространение в природе бесполого размножения. 33. Механизм оплодотворения у разных организмов. 34. Экто-, мезо- и энтодерма у зародыша. 35. Гибридологический метод – основа генетики. 36. Исторические этапы становления хромосомной теории. 37. Генная инженерия. 38. Строение тканей растений и животных. 39. Теория эволюции. 40. Филогенез основных групп организмов. 41. Биосферология. 42. Работа В.И. Вернадского о роли живых организмов. 43. Круговороты основных элементов. 9

44. Охрана природы. 45. Экологическое мышление. Примерный перечень вопросов для контрольной работы по каждой теме. Тема I. Наука биология. Общие положения: 1. «Слоёный пирог» биологии. 2. Методы исследования. 3. Свойства живой материи. 4. Основные теории происхождения жизни. 5. Цепь уровней организации природы. 6. Эоны, эры и периоды геологического времени Тема II. Многообразие живых организмов: 1. 2. 3. 4.

Основные таксономические группы. В чём суть разделения живых организмов на группы. Группа вирусов. Группа прокариотических организмов: систематика, краткая характеристика. 5. Группа растений: систематика с краткой характеристикой отделов. 6. Группа беспозвоночных животных: систематика с краткой характеристикой типов. 7. Группа позвоночных животных: систематика с краткой характеристикой классов. 8. Различия между автотрофными и гетеротрофными организмами. 9. Группы организмов по отношению к свободному кислороду. 10. Категории организмов по роли в сообществе. Тема III. Основы биохимии: 1. Основной химический состав живых организмов. 2. Функции воды как компонента живых организмов. 3. Функции минеральных солей. 4. Углеводы: строение, классификация, функции. 5. Липиды: строение, классификация, функции. 6. Белки: строение, классификация, функции. 7. Нуклеиновые кислоты: строение, классификация, функции. 8. Метаболизм: определения, составляющие. 9. Суть и роль процессов анаболизма. 10. Фотосинтез. 11. Синтез белка. 12. Этапы катаболизма. Тема IV. Основы цитологии: 1. Основные положения клеточной теории. 2. Различия в строении прокариотической и эукариотической клетки. 3. Различия в строении животной и растительной клетки, а также клетки грибов. 4. Что такое жизненный цикл клетки. Его основные фазы. 5. Биологический смысл митотического и мейотического деления. Тема V. Размножение организмов: 1. Размножение. 2. Типы бесполого размножения. 10

3. Фазы полового размножения. Тема VI. Эмбриология или Биология индивидуального развития: 1. Периоды онтогенеза. 2. Стадии эмбрионального периода. 3. Типы онтогенеза. Тема VII. Основы генетики: 1. 2. 3. 4. 5.

Теория и методология науки. Законы наследования. Формы изменчивости. Значение селекции. Генная инженерия.

Тема VIII. Гистология: 1. Понятия гистологии. 2. Основные ткани растений. 3. Основные ткани животных. Тема IX. Теория эволюции: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Эволюционная теория. Доказательства эволюции живого мира. Факторы эволюции. Микроэволюция. Конвергенция и дивергенция. Пути макроэволюции.

Тема X. Основы экологии: 1. Основные среды жизни и адаптации к ним. 2. Экологические факторы среды. 3. Зона толерантности организмов. 4. Законы Либиха, Шелфорда и Митчерлиха. 5. Характеристика и структура популяции. 6. Концепция биоценоза и экосистемы. 7. Первичная и вторичная продукция экосистемы. 8. Характеристика гидросферы. 9. Характеристика атмосферы. 10. Характеристика литосферы. 11. Характеристика биосферы. 12. Функции биосферы. 13. Большой, геологический круговорот веществ. 14. Малый, биогеохимический круговорот веществ. 15. Антропогенный круговорот. 16. Круговороты основных элементов. Примерный перечень вопросов к зачету по всему курсу 1. Наука биология. 2. Методы биологических исследований. 3. Теории происхождения жизни. 4. Классификация живых организмов. 5. Основы биохимии. 6. Обмен веществ и энергии в клетках. 7. Основы цитологии. 11

8. Размножение организмов. 9. Биология индивидуального развития. 10. Основы генетики. 11. Основы гистологии. 12. Теория эволюции. 13. Экология организмов. 14. Популяционная экология. 15. Экология сообществ. 16. Биосферология. Примерный перечень тем для рефератов (объём 10 – 15 страниц). Для раскрытия темы реферата, в работу предлагается включить следующие главы: • • • • • • •

Систематика группы. Особенности морфологического строения. Особенности физиологии. Особенности поведения. Представители группы. Ареал местообитания Значение группы. 1. Вирусы. 2. Микроорганизмы. 3. Грибы. 4. Водоросли. 5. Лишайники 6. Мхи. 7. Хвощи. 8. Плауны. 9. Папоротники. 10. Голосеменные растения. 11. Покрытосеменные растения. 12. Простейшие животные. 13. Губки. 14. Кишечнополостные. 15. Черви плоские. 16. Черви круглые 17. Черви кольчатые. 18. Моллюски. 19. Ракообразные. 20. Хелицеровые. 21. Насекомые. 22. Иглокожие. 23. Хордовые. 24. Бесчелюстные. 25. Рыбы хрящевые. 26. Рыбы костные. 27. Земноводные. 28. Рептилии. 29. Динозавры. 30. Птицы. 31. Низшие звери. 12

32. Высшие звери. 33. Приматы.

Примерный перечень тем для докладов (объём 2 – 5 страниц). 1. Дарвин Чарльз. 2. Вернадский Владимир Иванович. 3. Гук Роберт. 4. ан нии ан Левенгук. 5. Ламарк Жан Батист. 6. Конрад Геснер. 7. Мальпиги Марчелло. 8. Рей Джон. 9. Линней Карл. 10. Жорж Луи Леклерк де Бюффон. 11. Пристли Джозеф. 12. Кёльрёйтер Йозеф Готлиб. 13. Кювье Жорж. 14. Пандер Христиан. 15. Бэр Карл Максимович. 16. Пастер Луи 17. Фишер Эмиль Герман. 18. Виноградский Сергей Николаевич. 19. Ковалевский Владимир Онуфриевич. 20. Ивановский Дмитрий Иосифович 21. Гексли Томас Генри. 22. Северцов Алексей Николаевич. 23. Мензбир Михаил Александрович. 24. Беклемишев Владимир Николаевич. 25. Сушкин Пётр Петрович. 26. Геккель Эрнст. 27. Мендель Грегор Иоганн. 28. Вавилов Николай Иванович 29. Тимирязев Климент Аркадьевич. 30. Шимкевич Владимир Михайлович. 31. Кольцов Николай Константинович. 32. Уотсон Джеймс Дьюи, Крик Фрэнсис Харри Кэмптон. 33. Догель Валентин Александрович. 34. Одум Юджин. 35. Докучаев Василий Васильевич. 36. Мечников Илья Ильич. 37. Кожова Ольга Михайловна.

Примерный перечень тем для сообщений (объём 1 – 2 страницы). Необходимо обратить внимание на следующие аспекты: • • •

Дата и автор открытия. Строение. Локализация в клетке. 13

•

Функция и значение. 1. Плазматическая мембрана. 2. Клеточная стенка. 3. Гиалоплазма. 4. Рибосомы. 5. Митохондрии. 6. Аппарат Гольджи. 7. Эндоплазматический ретикулум 8. Лизосомы. 9. Микротельца. 10. Пластиды. Хлоропласты. 11. Пластиды. Хромопласты. 12. Пластиды. Лейкопласты. 13. Вакуоль. 14. Ядро. 15. Ядрышко. 16. Центриоли. 17. Реснички. 18. Микрофиламенты. 19. Микротрубочки. 20. Жгутики. 21. Кинетосомы, базальные тельца. 22. Плазмодесмы. . Примерный перечень вопросов к экзамену.

1. Наука биология, этапы развития, методы исследования. 2. Комплекс биологических знаний и связь с другими науками. 3. Свойства живой материи. 4. Уровни организации. 5. Теории происхождения жизни. 6. Геохронологическая шкала. 7. Таксономические группы. 8. Основные группы живых организмов. 9. Категории живых организмов. 10. Химический состав живых организмов. 11. Элементарный (атомный) состав. 12. Вода и её значение в живых клетках. 13. Минеральные соли. 14. Углеводы. 15. Липиды. 16. Белки. 17. ДНК. 18. РНК. 19. Метаболизм. 20. Анаболизм. 21. Катаболизм. 22. Фотосинтез. 23. Синтез белка. 24. Клеточная теория. 25. Строение прокариотической и эукариотической клетки. 26. Органеллы клетки — их форма, строение и функции. 14

27. Различия между растительной, животной и клеткой грибов. 28. Клеточная теория. 29. Клеточный цикл. 30. Митоз. 31. Мейоз. 32. Бесполое размножение. 33. Половое размножение. 34. Онтогенез. 35. Эмбриональный период. 36. Основные понятия генетики. 37. Наследственность и законы наследования. 38. Формы изменчивости. 39. Генная инженерия. 40. Селекция. 41. Ткани животных. 42. Ткани растений. 43. Эволюционная теория. 44. Доказательства эволюции живого мира. 45. Факторы эволюции. 46. Микроэволюция. 47. Конвергенция и дивергенция. 48. Пути макроэволюции. 49. Наука экология. 50. Среды жизни, и адаптации к ним. 51. Экологические факторы среды. 52. Характер действия экологических факторов. 53. Закон минимума Либиха, закон толерантности Шелфорда и закон совокупного действия факторов Митчерлиха. 54. Популяция. Показатели. 55. Структура популяции. 56. Экологическое сообщество. 57. Концепция экосистемы 58. Продуктивность экосистемы. 59. Геосферы Земли. 60. Характеристика биосферы. 61. Функции биосферы. 62. Большой, геологический круговорот веществ. 63. Малый, биогеохимический круговорот веществ. 64. Антропогенный круговорот веществ. 65. Круговороты основных элементов.

15

III. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ ПО ТЕМАМ И ВИДАМ РАБОТ № п/п

Наименование тем и разделов

Всего (час.)

Лекции

Лабораторн ые

Самостоят ельная работа

I

Наука биология. Общие положения.

16

5

3

8

II

Многообразие живых организмов.

24

3

5

16

III

Основы биохимии.

15

6

4

5

IV

Основы цитологии.

14

2

2

10

V

Размножение организмов.

8

2

2

4

VI

Эмбриология или Биология индивидуального развития.

12

4

4

4

VII

Основы генетики.

11

2

3

6

VIII

Гистология.

6

1

1

4

IX

Теория эволюции.

13

1

3

9

X

Основы экологии.

24

6

6

12

XI

Заключение

7

2

1

4

150

34

34

82

ИТОГО

IV. ФОРМА ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ Зачет, экзамен. V. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА ЛИТЕРАТУРА Основная Войткевич Г.В. Основы учения о биосфере / Г.В.Войткевич, В.А.Вронский.Учебное пособие.- М.: Просвещение, 1989. 16

Симпс Р.У. и др. Биосфера / Р.У.Симпс.- М.: Прогресс, 1999 Петров В.В. Общая ботаника с основами геоботаник. / В.В.Петров, Л.И.Абрамова.М.: ВШ, 1994. Хржановский В.Г. Курс общей ботаники.. / В.Г.Хржановский.-Учебное пособие.М.: ВШ, 1982.- в 2-х т Кобышев Н.М. География животных с основами зоологии / Н.М.Кобышев, Б.С.Кубанцев.- М.: Просвещение, 1988. Мамонтов С.Г. Биология / С.Г.Мамонтов.- М.: «Дрофа», 1999 Ярыгин В.Н. Биология / В.Н.Ярыгин, В.И Васильева.- М.: ВШ,1999.- в 2 томах. Биология:

Справочник

студента

/

под

ред.

А.А.Каменский,

А.И.Ким,

Л.Л.Великанов.- М.: Слово: АСТ, 2001. Мамонтов С.Г. Общая биология / С.Г.Мамонтов, В.Б.Захаров.- М.: Высшая школа, 2003. Одум Ю. Экология. / Ю.Одум.- М.: Мир, 1975.- в 2-х т. Дополнительная Грин Н. Биология / Н.Грин У.Стаут, Д.Тейлор.- М.. Мир, 1990.- Т 1-3. Либберт Э Общая биология / Э.Либберт .- М.: Мир, 1982. Пехов А.П. Биология с основами экологии / А.П.Пехов.- СПб.: Издательство «Лань», 2006.- 688 с Шарова И.Х. Зоология беспозвоночных / И.Х.Шарова.- М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 2003.- 592 с. Реферативные журналы: Биология, Охрана природы и др. Периодические издания по биологии: Биофизика, Биохимия, Ботанический журнал, Генетика, Журнал общей биологии, журнал эволюционной биохимии и физиологии, Зоологический журнал, Известия РАН (биологическая серия), Микробиологический журнал, Молекулярная биология, Сельскохозяйственная биология, Цитология, Экология, Экология и жизнь и др. Периодические научные статьи в журналах.

Работа выполнена при поддержке программ «Фундаментальные исследования и высшее образование» (проект НОЦ-017 «Байкал») и развитие научного потенциала высшей школы (2006 – 2008 гг.)» (проект РНП.2.2.1.1.7334).

17

Программу составила: к.б.н., доцент Е.В. Потапова

Утверждено Учебно-методической комиссией географического факультета ИГУ 5 мая 2008 г. Председатель комиссии _____________ Аргучинцева А.В.

РЕКОМЕНДАЦИИ К ОСВОЕНИЮ ОСНОВНОГО СОДЕРЖАНИЯ КУРСА Тема I. Наука биология. Общие положения: Раздел 1. Биология, этапы развития, методы исследования. Биология (греч. bios— жизнь и logos — знание, учение, наука) — это совокупность наук о живой природе, изучающих все проявления жизни: строение и функции

живых

существ

и

их

природных

сообществ,

их

распространение,

происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой природой. Основные используемые в биологических дисциплинах методы: описательный, сравнительный, исторический, экспериментальный, моделирования. Раздел 2. Комплекс биологических знаний. Биология – это комплексная наука. Она подразделяется по объектам исследования на: зоологию (от греч. zōon — животное, живое существо, logos – наука)— науку о животных (энтомология – наука о насекомых, герпетология наука о гадах, орнитология – наука о птицах), ботанику (фитологию) (от греч. botanikos - относящийся к растениям, botane трава, растение) — науку о растениях, вирусологию (от лат. virus — яд) — науку о вирусах, микробиологию (от греч. mikros – малый, bios – жизнь) — науку о микроорганизмах, о мельчайших организмах, микологию (от греч. mýkēs — гриб) — науку о грибах, 18

антропологию (от греч. ánthrōpos — человек) — науку о человеке, и другие. По задачам исследования выделяют: цитологию (от греч. kýtos — вместилище, клетка) — науку о клетках, гистологию (от греч. histós, histíon — ткань) — науку о тканях, анатомию (от греч. anatomē — рассечение) — науку о строении организмов, физиологию (от греч. phýsis — природа) — науку о жизнедеятельности целостного организма и его частей, генетику (от греч. genesis – происхождение) — науку о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими, селекцию (от латинского selectio – отбор) – науку о создании новых и улучшении существующих

пород

домашних

животных,

сортов

растений

и

штаммов

микроорганизмов, экологию — науку об отношениях живых организмов между собой и окружающей их средой, теорию эволюции (от лат. evolutio — развёртывание, развитие) — науку об историческом развитии живой природы, палеонтологию (от греч. palaiós — древний) — науку о развитии жизни в прошлые геологические времена, биохимию — науку о химических веществах и процессах в живых организмах, биофизику — науку о физических и физико-химических явлениях в живых организмах, биотехнологию — как совокупность промышленных методов, позволяющих использовать живые организмы и отдельные их части для производства ценных для человека продуктов (аминокислот, белков, витаминов, ферментов, антибиотиков, гормонов и др.) и другие. Раздел 3. Свойства живой материи. Вопрос о сущности жизни является одним из давних вопросов биологии. Определений жизни множество, но ни одно из них не является исчерпывающим. Поэтому живым считается то, что обладает некоторыми признаками, в частности: определённый 19

химический

состав,

клеточное

строение,

обмен

веществ

и

энергозависимость,

саморегуляция, раздражимость и психические функции, наследственность, изменчивость, самовоспроизведение эволюционное

(репродукция),

развитие

(филогенез),

индивидуальное ритмичность,

развитие

целостность

и

(онтогенез), дискретность,

иерархичность. Раздел 4. Уровни организации природы. В организации природы различают несколько уровней, а именно: элементарные частицы→ атом → молекула → субклеточные структуры → клетка → ткань → орган → система органов → организм → популяция → вид → биоценоз → экосистема → биосфера → планета Земля → Солнечная система → галактика Млечный путь → Вселенная. Но не все они относятся к живой природе. Раздел 5. Теории происхождения жизни. Возраст Земли составляет 4,5 – 5 млрд. лет. Жизнь возникла примерно 3,5 – 3,8 млрд. лет. Каковы же причины и теории появления жизни на планете. Вопрос происхождения жизни – это величайшая проблема естествознания. К основным теориям относятся: Теория креационизма, Теория панспермии, Теория самозарождения или стационарного состояния, Теория абиогенеза, Теория биогенеза. Раздел 6. Геохронологическая шкала. Геохронологическая шкала – это шкала геологического времени, показывающая последовательность этапов развития Земной коры и органического мира Земли. Вариантов шкалы несколько, для биологии характерно следующее иерархическое подразделение. Самыми крупными являются эоны: Криптозой и Фанерозой, они разделены на эры: Архейская – эра зарождения жизни (единственная относящаяся к Криптозою), Протерозойская, Палеозойская – эра древней жизни, с периодами Кембрий, Ордовик, Силур, Девон, Карбон, Пермь, Мезозойская, с периодами: Триас, Юра, Мел и Кайнозойская с периодами: Палеоген, Неоген, Антропоген

Тема II. Многообразие живых организмов: Раздел 7. Таксономические группы. Для упорядочения многообразия организмов служат: Систематика (с греч. – «располагать вместе») – раздел биологии, занимающийся описанием, обозначением и классификацией существующих и вымерших организмов по таксонам. Классификация – распределение

всего

множества

живых 20

организмов

по

определённой

системе

иерархически соподчинённых групп. Таксономия (с греч. – «приводить в порядок») – раздел систематики, разрабатывающий теоретические основы классификации. Таксон – искусственно выделенная человеком группа организмов связанных той или иной степенью родства. В современной классификации существует следующая иерархия таксонов: ОТДЕЛ (растения) ВИД – РОД – СЕМЕЙСТВО – ОТРЯД (Порядок)– КЛАСС ТИП (животные) Вид (биологический вид) – это совокупность особей, обладающих рядом общих морфологических

и

физиологических

признаков,

обитающих

на

определённой

территории, способных скрещиваться, давая плодовитое потомство. Виды различаются между собой рядом признаков и свойств. Критерии вида — характерные признаки и свойства. Морфологический критерий — сходство внешнего и внутреннего строения. Генетический критерий — характерный для вида набор хромосом: их число, размеры, форма. Физиологический критерий — сходство всех процессов жизнедеятельности, прежде всего размножения. Биохимический критерий — сходство белков, обусловленное особенностями ДНК. Географический критерий — определенный ареал, занимаемый видом. Экологический критерий — совокупность факторов внешней среды, в которых существует вид. Вид характеризуется совокупностью критериев. Ни один из критериев не является абсолютным. Население вида, как правило, распадается на относительно изолированные группы особей — популяции. Популяция — совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Раздел 8. Основные группы живых организмов. Живые организмы подразделяют на: 1. Неклеточные формы: Вирусы. 2. Клеточные формы: 21

Прокариотические, безъядерные Бактерии, сине-зелёные и другие водоросли, некоторые грибы, слизевики. Эукариотические, ядерные Царство Растений. Отдел: Водоросли, Мхи, Хвощи, Плауны, Папоротники, Лишайники, Голосеменные, Покрытосеменные. Царство Грибов. Отдел: Оомицеты и Настоящие грибы. Царство Животных. Тип: Простейшие, Губки, Кишечнополостные, Плоские черви, Круглые черви, Кольчатые черви, Членистоногие, Моллюски, Иглокожие, Хордовые и другие. Раздел 9. Краткая характеристика групп живых организмов. Раздел 10. Категории живых организмов. Экологические группы организмов не столь многочисленны, как биологические. Среди них особую роль играют группы подразделяемые по: 1. типу питания. Существует два типа питания – автотрофное и гетеротрофное. Автотрофы (от греч autos – сам, trophe – питаться), т. е. организмы использующие для своего существования неорганику воды, земли, воздуха и солнечный свет. В соответствии с источниками энергии, используемыми для синтеза органического вещества, автотрофы подразделяются на фототрофов (использующих энергию солнца) и хемотрофов (использующих энергию химических связей). Гетеротрофы (от греч. heteros – другой), организмы потребляющими только готовые органические вещества, такими являются все животные и грибы. 2. отношению к свободному кислороду. По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы. Аэробы (облигатные аэробы) — организмы, способные жить только в кислородной среде (животные, растения, некоторые бактерии и грибы). Анаэробы (облигатные анаэробы) — организмы, неспособные жить в кислородной среде (некоторые бактерии).

22

Факультативные формы (факультативные анаэробы) – организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (некоторые бактерии и грибы). 3. роли в сообществе. По своим функциям, которые организмы выполняют в сообществах, все организмы подразделяются на продуцентов, консументов и редуцентов. Продуценты – организмы использующие для своего существования неорганику воды, земли, воздуха и солнечный свет, способные синтезировать органические вещества из неорганических, производители продукции, которой потом питаются все организмы – это автотрофы (от греч autos – сам, trophe – питаться). Это фотосинтезирующие растения суши, водоросли, хемосинтезирующие бактерии. Консументы (от лат. consume – потребляю) – потребители органических веществ: травоядные животные, питающиеся продуцентами – это консументы первого порядка, плотоядные (хищники) – питающиеся мясом других животных – это консументы второго порядка и всеядные, т. е. употребляющие и мясную и растительную пищу (человек, медведь). Существуют консументы среди растений – паразиты, и со смешанным типом питания – росянка. Редуценты или деструкторы – (от лат reducere – возвращать) организмы использующие

в

качестве

пищи

органическое

вещество

и

подвергающие

его

минерализации, восстановители, возвращающие вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений (микроорганизмы и грибы). Консументы и редуценты являются гетеротрофными организмами. Отдельно иногда выделяют макроконсументов, или фаготрофов ( от греч. фагос – пожирающий) – гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы или частицы органического вещества и микроконсументов, или сапротрофов (от греч. сапро – разлагать), или осмотоофов ( от греч. осмо – проходить через мембрану) – гетеротрофы, преимущественно бактерии и грибы, которые разрушают сложные соединения мёртвой протоплазмы, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами. Также гетеротрофов подразделяют на биофагов – организмов, питающихся другими живыми существами, сапрофагов или сапротрофов – организмов, организмов питающихся мёртвым органическим веществом и капрофагов, которые питаются экскрементами животных (некрофаги, детритофаги). 23

Тема III. Основы биохимии: Биохимия, биологическая химия, наука, изучающая состав организмов, структуру, свойства и локализацию обнаруживаемых в них соединений, пути и закономерности их образования, последовательность и механизмы превращений, а также их биологическую и физиологическую роль. Раздел 11. Химический состав живых организмов. Состав клеток организмов разделяют на атомный и молекулярный. В первом рассматривают макро-, микро- и ультрамикроэлементы, а второй заключает в себе неорганические (вода и минеральные соли) и органические (углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты) вещества. Раздел 12. Атомный состав. Раздел 13. Неорганические вещества. Раздел 14. Органические вещества. 1. Углеводы. Углеводы или сахариды — органические соединения, с общей формулой Сn(H2O)m. У большинства число молекул воды вдвое превышает количество атомов углерода. В зависимости от числа атомов углерода различают триозы, тетрозы, пентозы (рибоза, дезоксирибоза), гексозы (глюкоза, фруктоза) и гептозы. 2. Липиды. От греческого – lipos – жир – это органические соединения, полные сложные эфиры глицерина (триглицериды) и одноосновных жирных кислот. Определить эту группу соединений наиболее сложно из-за большого химического разнообразия. Строение жиров отвечает общей формуле: R – COОН или

CH2 – O – CO – R1 ⎮ CH2 – O – CO – R2 ⎮ CH2 – O – CO – R3

где R', R2 и R3 - радикалы жирных кислот. Все известные природные жиры содержат в своём составе три различных кислотных радикала, имеющих неразветвлённую структуру и, как правило, чётное число атомов углерода. 24

3.

Белки.

Белки или протеины - это высокомолекулярные природные органические вещества, построенные из аминокислот и играющие фундаментальную роль в структуре и жизнедеятельности организмов. Белки всех организмов состоят из 20 видов аминокислот. R

NH2 ⎮

Общая формула

⎮

или

R − CHCOOH

H2N – CH – COOH

В левой части расположена группа H2N, которая обладает свойствами основания, а справа – COOH, кислотная. Соединяясь, молекулы аминокислот, образуют связь между углеродом кислотной и азотом основной группы – такая связь называется пептидной (СО--NH-) (с образованием воды). 4. Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты (НК) – полинуклеотиды, важнейшие биологически активные биополимеры, имеющие универсальное распространение в живой природе. Содержатся в каждой клетке всех организмов. Цепи нуклеиновых кислот содержат от нескольких десятков до многих тысяч нуклеотидных остатков, расположенных линейно в определённой последовательности, уникальной для данной кислоты. Мономеры, которые носят название нуклеотидов, составляют каждую из цепей НК, представляют собой сложные органические соединения, включающие азотистые основания: аденин (А) и тимин (Т) или урацил (У), цитозин (Ц) и гуанин (Г), пятиатомный сахар — пентозу – дезоксирибозу или рибозу, по имени которой получила название и сама ДНК или РНК, а также остаток фосфорной кислоты. В природе встречается два типа НК – ДНК и РНК. ДНК

(дезоксирибонуклеиновая

кислота)

—

биологический

полимер,

состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом. Цепи нуклеотидов ДНК образуют правозакрученные объемные спирали по 10 пар оснований в каждом витке. Последовательность соединения нуклеотидов одной цепи противоположна таковой в другой, т.е. цепи, составляющие одну молекулу ДНК, разнонаправлены,

или

антипараллельны.

Сахаро-фосфатные

группировки

нуклеотидов находятся снаружи, а комплементарно связанные нуклеотиды — внутри. Цепи закручиваются друг вокруг друга, а также вокруг общей оси и образуют двойную 25

спираль. РНК (рибонуклеиновая кислота) вместо дезоксирибозы содержат рибозу, а вместо тимина – урацил. РНК, как правило, имеют лишь одну цепь, более короткую, чем цепи ДНК. Двуцепочечные РНК встречаются только у некоторых вирусов. Молекулярная масса от (10-20) ×103 до

(5-6) ×106.

Виды РНК: 1.

Информационная (матричная) РНК – иРНК (или мРНК). Имеет незамкнутую

цепь. Служит в качестве матриц для синтеза белков, перенося информацию об их структуре с молекулы ДНК к рибосомам в цитоплазму. 2.

Транспортная РНК – тРНК. Доставляет аминокислоты к синтезируемой

молекуле белка. Молекула тРНК состоит из 70-90 нуклеотидов и благодаря внутрицепочечным

комплементарным

взаимодействиям

приобретает

характерную

вторичную структуру в виде «клеверного листа». 3.

Рибосомная РНК – рРНК. В комплексе с рибосомными белками образует

рибосомы – органеллы, имеющие форму матрёшек, т.е. состоящие из двух субъединиц, на которых происходит синтез белка. Раздел 15. Обмен веществ и энергии. Метаболизм – совокупность всех химических реакций, протекающих в живом организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. В нём выделяют две взаимосвязанные части – анаболизм и катаболизм. Анаболизм (или пластический обмен, или ассимиляция) – совокупность химических реакций синтеза сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии. У автотрофов основные анаболические реакции протекают в процессах фотосинтеза и хемосинтеза, а у гетеротрофов представлены матричным синтезом белка и других органических молекул. Катаболизм (или энергетический обмен, или диссимиляция) – совокупность химических реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии.

26

Раздел 16. Фотосинтез. Фотосинтезом называют процесс образование органических (и неорганических) молекул из неорганических за счет использования энергии солнечного света. Этот процесс состоит из двух фаз – световой и темновой. Раздел 17. Синтез белка. Синтез белка – это сложный, не до конца изученный процесс экспрессии генов. Экспрессия – это реализация информации, записанной в генах по схеме: ДНК – РНК – Белок.

Синтез состоит из двух частей: транскрипции (происходит в ядре клетки) и

трансляции (осуществляется в цитоплазме). Транскрипция (буквально – переписывание, от лат. trans – через, пере- и scribio -пишу) информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочечной молекулы

иРНК,

последовательность

нуклеотидов

которой

точно

соответствует

(комплементарна) последовательности нуклеотидов матрицы – полинуклеотидной цепи ДНК. Трансляция (от лат. translatio — передача, перевод) – следующий этап биосинтеза перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов (последовательности кодонов) молекулы иРНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи. Раздел 18. Этапы катаболизма. Катаболизм

у

всех

организмов

подразделяется

на

несколько

этапов:

подготовительный (расщепление), бескислородный (неполное окисление) и дыхание (полное окисление). Итогом совокупности реакций является полное расщепление веществ до неорганических составляющих, в частности – глюкозы до воды и углекислого газа с созданием энергетических молекул АТФ. Суммарное уравнение расщепления глюкозы: С6H12O6 + 6O2 + 38 Н3РО4 + 38 АДФ → 44 H2O+ 6CO2 + 38 АТФ

Тема IV. Основы цитологии: Цитология – наука о клетке. Изучает строение и функции клеток. Раздел 19. Клеточная теория. Клетки – это: 1. структурные единицы всего живого;

27

2. функциональные единицы живых организмов и проявляют весь комплекс жизненных функций (питание, рост, размножение …); 3. единица развития всего живого. Новые клетки образуются только в результате деления исходной (материнской) клетки; 4. генетическая единица. В хромосомах клетки содержится информация о развитии всего организма; 5. клетки всех организмов сходны по химическому составу, строению и функциям. Раздел 20. Строение прокариотической и эукариотической клетки. Раздел 21. Органеллы клетки — их форма, строение и функции. Раздел 22. Различия между растительной, животной и клеткой грибов. Растительные клетки отличаются наличием толстой целлюлозной клеточной стенки, пластид, крупной центральной вакуоли, смещающей ядро к периферии. Клеточный центр высших растений не содержит центриоли. Запасным углеводом является крахмал. Клетки грибов имеют клеточную стенку, содержащую хитин (как у насекомых), в цитоплазме имеется центральная вакуоль, отсутствуют пластиды. Только у некоторых грибов в клеточном центре встречается центриоль. Главным резервным углеводом является гликоген. Животные клетки не имеют клеточной стенки, не содержат пластид и центральной вакуоли, для клеточного центра характерна центриоль. Запасным углеводом является гликоген. Раздел 23. Клеточный цикл. Клеточный цикл (жизненный цикл клетки) – это существование клетки от момента ее возникновения в результате деления материнской клетки до ее собственного деления или смерти. Основой размножения и индивидуального развития организмов является деление клетки. Известно три способа деления эукариотических клеток: амитоз (прямое деление), митоз (непрямое деление) и мейоз (редукционное деление). Амитоз — или непрямое деление, редкий способ деления клетки, характерный для стареющих или опухолевых клеток, он также организмов,

а

также

в

некоторых

встречается у одноклеточных

высокоспециализированных,

физиологической активностью клетках тканей растений и животных. 28

с

ослабленной

Митотический (постмитотического)

цикл —

состоит G1 ,

их

четырех

синтетического

периодов: —

S,

пресинтетического постсинтетического

(премитотического) — G2, митоза — М. Первые три периода – это подготовка клетки к делению (интерфаза), четвертый период – само деление (митоз). Митоз – тип клеточного деления, в результате которого дочерние клетки получают генетический материал, идентичный тому, который содержался в материнской клетке. Мейоз – тип клеточного деления, сопровождающийся редукцией числа хромосом. В результате из первично диплоидных клеток образуются гаплоидные.

Тема V. Размножение организмов: Размножение – это способность живых существ воспроизводить себе подобных. При этом обеспечивается непрерывность и преемственность жизни. Раздел 24. Бесполое размножение. В процессе бесполого размножения участвует только одна особь. Образования гамет не происходит. Организм либо просто делится на две или более частей, либо формирует специальные структуры, из которых восстанавливаются новые индивиды, генетически идентичные материнской особи. Различают следующие типы бесполого размножения: деление, споруляция, фрагментация, почкование, вегетативное размножение, клонирование. Раздел 25. Половое размножение. Половое размножение характерно для подавляющего большинства — живых существ. Оно складывается из 4 основных процессов: 1. Гаметогенез – образование половых клеток (гамет). 2. Оплодотворение – слияние гамет и образование зиготы. 3. Эмбриогенез – дробление зиготы и формирование зародыша 4. Постэмбриональный период – рост и развитие организма в послезародышевый период.

Тема VI. Эмбриология или Биология индивидуального развития: Онтогенез (или индивидуальное развитие особи) – это весь период жизни особи с 29

момента слияния сперматозоидов с яйцом и образованием зиготы до гибели организма. Раздел 26. Эмбриональный период. Эмбриональный, или эмбриогенез – начинается с момента оплодотворения, представляет собой процесс преобразования зиготы в многоклеточный организм и завершается выходом из яйцевых (зародышевых) оболочек (при личиночном и неличиночном типах развития) либо рождением (при внутриутробном). Эмбриональный период у большинства многоклеточных животных един и состоит из трёх стадий: дробление, гаструляция, первичный органогенез. Раздел 27. Постэмбриональный период. Постэмбриональное (послезародышевое) развитие начинается с момента рождения (при внутриутробном развитии зародыша у млекопитающих) или с момента выхода организма из яйцевых оболочек и продолжается вплоть до смерти живого организма. Постэмбриональное развитие сопровождается ростом. При этом он может быть ограничен определенным сроком или длиться в течение всей жизни. Раздел 28. Типы онтогенеза. Различают два основных типа онтогенеза: прямой и непрямой. Непрямой (личиночный) тип развития проходят многие виды беспозвоночных и некоторые позвоночные животные (рыбы, земноводные). У них в процессе развития формируются одна или несколько личиночных стадий. Прямой яйцекладный тип развития встречается у ряда беспозвоночных, а так же у рыб, пресмыкающихся, птиц и некоторых млекопитающих, яйца которых богаты желтком. При этом зародыш длительное время развивается внутри яйца. Прямой

внутриутробный

тип

развития

характерен

для

высших

млекопитающих и человека, яйцеклетки которых почти лишены желтка. Все жизненные функции зародыша осуществляются через материнский организм. Для этого из тканей матери и зародыша развивается плацента. Завершается этот тип развития процессом деторождения.

Тема VII. Основы генетики: Генетика (от греч. genesis

- происхождение) – наука о наследственности и

изменчивости живых организмов и методах управления ими. Раздел 29. Основные понятия и методы. 30

Хромосома – структурное образование ядра клеток, содержащее гены. Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий синтез одной макромолекулы. Аллели — различные состояния одного и того же гена, располагающиеся в определенном локусе (участке) гомологичных хромосом и определяющие развитие одного какого-то признака. Состояние может быть доминантным или рецессивным. Генотип – совокупность всех генов организма. Фенотип – совокупность всех признаков организма. Основным методом генетики с момента возникновения науки является – гибридологический метод. Наряду с ним используются: Генеалогический метод (метод родословных), Близнецовый, Цитогенетический, Биохимический и Популяционный метод Раздел 30. Положения хромосомной теории. – Каждый ген имеет своё строго определённое положение в хромосоме. – Гены расположены в хромосоме линейно в строго определённом порядке. – Причиной появления особей с перекомбинированными признаками является, кроссинговер. – Чем дальше гены друг от друга расположены в хромосоме, тем больше вероятность кроссинговера между ними. Раздел 31. Наследственность и законы наследования. Наследственность — способность организмов передавать из поколения в поколение свои признаки (особенности строения, функции, развития). Законы наследования признаков: 1. Первый закон Г. Менделя – закон единообразия гибридов первого поколения. 2. Второй закон Г. Менделя – закон расщепления. 3. Третий закон Г. Менделя – закон независимого комбинирования – расщепление по каждому признаку идёт независимо от других признаков. 4. Четвёртый закон Т. Моргана – закон сцепленного наследования. Раздел 32. Изменчивость и формы изменчивости. Изменчивость

—

способность

организмов

приобретать

новые

признаки.

Изменчивость бывает: 1. Ненаследственная (модификационная) изменчивость. 2. Наследственная (генотипическая) изменчивость.

31

Последняя, подразделяется на комбинативную, возникающую в результате образования у потомков новых комбинаций уже существующих генов в процессе полового размножения и мутационную, возникающую в результате мутаций. Мутации — качественные или количественные изменения ДНК организмов, приводящие к изменениям их генотипа. Раздел 33. Селекция. От латинского selectio – отбор, представляет собой науку о создании новых и улучшении существующих пород домашних животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов. Раздел 34. Генная инженерия. (Тема для самостоятельного изучения.) Генная инженерия

– искусственная перестройка генома, которая позволяет

встраивать в геном организма одного вида, гены другого вида. Например, встраивая в генотип кишечной палочки соответствующий ген человека, получают гормон инсулин. История генной инженерии была начата с открытия в 1967-1968 гг. ферментов ДНК-лигазы и рестрикционных эндонуклеаз. Используя эти ферменты, в 1972 г. П.Берг (США) впервые сконструировал рекомбинантные молекулы ДНК путем объединения ДНК из двух различных организмов. Применяя эту же методику, в 1973 г. С. Коэн и А. Чанг (США) тоже получили рекомбинантные молекулы ДНК, что позволило довольно легко манипулировать с ДНК того или иного организма. Следует добавить, что в 1983 г. была разработана полимеразная цепная реакция (К. Миле), позволяющая осуществлять быстрый синтез желаемых фрагментов ДНК в многочисленных копиях за короткое время. Генную инженерию составляет совокупность различных экспериментальных приемов (методик), обеспечивающих конструкции (реконструкцию) и клонирование молекул ДНК (генов) с заданными целями. Методы генной инженерии используют в определенной последовательности, причем различают несколько стадий выполнения типичного генно-инженерного эксперимента, направленного на клонирование какого-либо гена, а именно: 1. Выделение ДНК из клеток интересующего организма (исходного) и выделение ДНК-вектора. 2. Разрезание

(рестрикция)

ДНК

исходного

организма

на

фрагменты,

содержащие интересующие гены, с помощью одного из ферментов-рестриктаз и выделение этих генов из образованной рестрикционной смеси. Одновременно 32

разрезают (рестрикциируют) векторную ДНК, превращая ее из кольцевой структуры в линейную. 3. Смыкание интересующего сегмента ДНК (гена) с ДНК вектора с целью получения гибридных молекул ДНК. 4. Введение гибридных молекул ДНК путем трансформации и какой-либо другой организм, например, в Е. соli или в соматические клетки. 5. Высев бактерий, в которые вводили гибридные молекулы ДНК, на питательные среды, позволяющие рост только клеток, содержащих гибридные молекулы ДНК. 6. Идентификация колоний, состоящих из бактерий, содержащих гибридные молекулы ДНК. 7. Выделение клонированной ДНК (клонированных генов) и ее характеристика, включая секвенирование азотистых оснований в клонированном фрагменте ДНК. ДНК (исходная и векторная), ферменты, клетки, в которых клонируют ДНК – все это называют «инструментами» генной инженерии.

Тема VIII. Гистология: Наука, изучающая ткани, называется гистологией. Для

клеток

многоклеточных

организмов

характерна

специализация

и

объединение, в результате которых они образуют структуры, получившие название тканей, из которых формируются органы. Раздел 35. Ткани растений. У растений выделяют простые ткани – состоящие из одного вида клеток: паренхима, колленхима, склеренхима; и состоящие из нескольких типов клеток: ксилема (древесина), флоэма (луб) Раздел 36. Ткани животных. У

животных

выделяют:

эпителиальную

ткань,

соединительную

ткань,

мышечную ткань, нервную ткань, кровь и лимфу.

Тема IX. Теория эволюции: (Тема для самостоятельного изучения.) Эволюция (от лат. evolutio - развёртывание), в широком смысле синоним развития, в более узком смысле - один из основных типов развития: медленные, постепенные 33

количественные, и качественные, изменения. Эволюция биологическая – историческое развитие организмов. Эволюционное учение или теория эволюции – наука, изучающая историческое развитие жизни: причины, закономерности и механизмы. Различают макро- и микроэволюцию. Микроэволюция – это эволюционные процессы на уровне популяций, приводящие к образованию новых видов. Макроэволюция – это эволюция надвидовых таксонов, в результате которой формируются более крупные систематические группы. Раздел 37. Доказательство эволюции живого мира. 1. Геологические. 2. Палеонтологические. 3. Данные сравнительной анатомии. 4. Эмбриологические. 5. Биогеографические. Раздел 38. Основные положения эволюционного учения Ч. Дарвина. Автор

подлинно

научной

теории

эволюции

является

английский

естествоиспытатель Чарльз Роберт Дарвин (1809 – 1882). Главным трудом является книга «Происхождение видов путём естественного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» (1859) Разделы эволюционного учения Ч. Дарвина: 1. Совокупность доводов в пользу исторического развития организмов. 2. Каждый вид способен к неограниченному размножению. 3. Ограниченность жизненных ресурсов препятствует реализации потенциальной возможности беспредельного размножения. Большая часть особей гибнет в борьбе за существование и не оставляет потомства. 4. Движущими силами эволюции являются наследственность, изменчивость и естественный отбор. 5. Формы борьбы за существование – межвидовая, внутривидовая и борьба с неблагоприятными условиями среды. 6. Основной путь эволюционных преобразований – дивергенция – явление расхождения признаков, ведущих к видообразованию.

34

7. Эволюция носит приспособительный характер. В результате действия естественного отбора сохраняются особи с полезными для их процветания признаками. Раздел 39. Факторы эволюции: Элементарным эволюционным явлением служит мутация. Элементарные факторы эволюции – это факторы, изменяющие частоту аллелей и генотипов в популяции ( или генетическую структуру популяции). К ним относятся: 1. Популяционные волны, волны жизни – периодические и непериодические колебания численности популяции, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. 2. Дрейф генов – случайное ненаправленное изменение частот аллелей и генотипов в популяциях. 3. Естественный отбор – процесс, в результате которого выживают и оставляют после себя потомство преимущественно особи с полезными для популяции свойствами. Различают три его основные формы: Движущий, способствует сдвигу среднего значения признаков и появлению новых форм. Стабилизирующий, направлен на сохранение установившегося в популяции среднего значения признака. Разрывающий

или

дезруптивный,

благоприятствующий

более

чем

одному

фенотипическому оптимуму и действующий против промежуточных форм. 4. Изоляция – возникновение разных факторов, препятствующих свободному скрещиванию. Она бывает: Географическая (или пространственная) изоляция связана с разрывом единого ареала обитания вида на не сообщающиеся между собой части. Экологическая изоляция связана с предпочтением конкретного место обитания. Этологическая

изоляция

—

осложнения

спаривания,

обусловленные

особенностями поведения. Раздел 40. Микроэволюция. Элементарной единицей эволюции является популяция. Эволюционируют не особи, а группы особей составляющие популяцию, они являются объектом действия естественного отбора. Видообразование, т.е. появление нового вида – это завершающий этап эволюции. Различают аллопатрическое (географическое) и симпатрическое видообразование. 35

Первая происходит при появлении географической преграды между популяциями, другая в результате биологической изоляции: генетических изменений и полиплоидии. Эволюционный процесс носит приспособительный характер. В результате действия естественного отбора сохраняются особи с полезными для их процветания признаками. Они обусловливают хорошую, но не абсолютную, приспособленность организмов к тем условиям, в которых живут: Покровительственная окраска развита у видов, которые живут открыто и могут оказаться доступными для врагов. Маскировка — приспособление, при котором форма тела и окраска животных сливаются с окружающими предметами. Мимикрия— подражание менее защищенного организма одного вида более защищенному организму другого вида (или предметам среды). Предупреждающая (угрожающая) окраска. Раздел 41. Макроэволюция. Основными процессами макроэволюции являются дивергенция и конвергенция. Дивергенция — расхождение признаков в ходе эволюции у родственных групп, развивающихся в разнородных условиях. Она приводит к разделению вида на популяции, род на виды, семейство на роды и т.д. В результате дивергенции формируются гомологичные органы, имеющие единое происхождение независимо от выполняемых функций, например, конечности позвоночных Конвергенция — схождение признаков в ходе эволюции у неродственных групп, развивающихся в схожих условиях. Например, акулы, ихтиозавры и дельфины имеют внешнее сходство, но принадлежат к разным

систематическим

группам:

рыбам,

пресмыкающимся

и

млекопитающим

соответственно. В результате конвергенции образуются аналогичные органы. Аналогичными называются органы, выполняющие одинаковые функции и имеющие внешнее сходство, но различные по происхождению. Например, жабры рака и рыбы, крыло птицы и бабочки, роющие конечности крота и медведки. На

макроэволюционном

уровне

можно

проследить

главные

направления

органической эволюции: биологический и морфофизиологический прогрессы. Поскольку направление эволюции определяется естественным отбором, то пути эволюции совпадают с путями формирования приспособлений, определяющих те или иные преимущества одних групп перед другими. Появление таких признаков обусловливает прогрессивность данной группы. Биологический прогресс, то есть расширение ареала, увеличение количества особей данного вида и количества новых систематических единиц внутри вида или более крупной систематической единицы, достигается различными путями. 36

Можно выделить несколько путей эволюции: Арогенез (ароморфоз или морфофизиологический прогресс) — такой путь эволюции,

который

характеризуется

повышением

организации,

развитием

приспособлений широкого значения, расширением среды обитания данной группы организмов. На арогенный путь развития группа организмов вступает, вырабатывая определенные приспособления, называемые в таком случае ароморфозами. Аллогенез (идиоадаптация) – путь эволюции без повышения общего уровня организации. Организмы эволюционируют путем частных приспособлений к конкретным условиям среды. Такой тип эволюции ведет к быстрому повышению численности и многообразию видового состава. Катагенез (катоморфоз или общая дегенерация) – явление резкого упрощения организации, связанного с исчезновением целых систем органов и функций, наблюдаемое в ряде эволюционных ситуаций, когда окружающая среда стабильна. Гипергенез – путь эволюции, связанный с увеличением размеров тела и непропорциональным пере развитием органов. В различные периоды в различных классах организмов появлялись гигантские формы. Тема X. Основы экологии: Экология – в переводе с греческого «oikos» - дом, «logos» – наука, т. е. наука о доме, наука об организмах у себя дома – наука об отношениях организмов к окружающей их среде, или наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Раздел 42. Аутэкология. Это раздел экологии, изучающий взаимодействие организма и среды его обитания. 1. Организм, среда и адаптация. Среда – это комплекс природных объектов и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. В широком смысле это материальные тела, явления и энергия, воздействующие на организм. Различают четыре среды обитания – это водная, наземно-воздушная, почвенная и организменная. Адаптации — различные приспособления к среде обитания, выработавшиеся у организмов в процессе эволюции. Рассматривают несколько уровней адаптации: Морфологические, Физиологические 37

и Этологические. 2. Экологические факторы среды. Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живой организм, хотя бы на протяжении одной из фаз его индивидуального развития. Факторы разделяют на абиотические, биотические и антропические. Абиотические факторы – это все свойства неживой природы, прямо или косвенно влияющие на живые организмы. Их делят на: 1. Климатические: свет, температура, влага, движение воздуха, давление. 2. Гидрологические (изменение прозрачности и освещенности в зависимости от глубины и мутности водной толщи, изменение давления с глубиной, минерализация воды и т. д.); 3. Эдафогенные: (от «эдафос» - почва): механический состав, влагоёмкость, воздухопроницаемость, плотность. 4. Орографические: рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона. 5. Химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность. Биотические факторы – это прямые или опосредованные формы воздействия живых существ друг на друга. Их делят на: 1. Фитогенные: влияние растительных организмов. 2. Зоогенные: влияние животных организмов. 3. Микробогенные: влияние вирусов, бактерий. 4. Антропогенные: деятельность человека (непосредственная). Антропические – опосредованное влияние человека, через изменение факторов среды (производство, загрязнение и т.д.). 3. Характер действия экологических факторов. Любому живому организму необходимы не вообще температура, влажность, минеральные и органические вещества или какие-нибудь другие факторы, а их определенный режим. Реакция организма зависит от количества (дозы) фактора. Кроме того, живой организм в природных условиях подвергается воздействию многих

экологических

факторов

(как

абиотических,

так

и

биотических)

одновременно. Несмотря на многообразие влияния экологических факторов, можно выявить общий характер их воздействия на организм. 38

При небольших значениях или при чрезмерном воздействии фактора жизненная активность организма заметно угнетается. Наиболее эффективно действие фактора не при минимальных или максимальных его значениях, а при некотором его значении, оптимальном для организма. Диапазон действия, или зона толерантности (tolerantia – терпение) или выносливости, экологического

фактора ограничен соответствующими крайними

пороговыми значениями – точкой минимума и точкой максимума, данного фактора, при которых возможно существование организма, а за их пределами происходит его гибель. 4. Выносливость организма. Выносливость организма к действию экологических факторов определяется несколькими экологическими законами: Закон минимума Либиха: выносливость организма, определяется фактором или ресурсом, который имеется в минимальном, количестве с точки зрения потребностей организма. Закон неоднозначного (селективного) действия фактора: любой экологический фактор неодинаково влияет на функции организма, оптимум для одних процессов, не есть оптимум для других. Закон компенсации (взаимозаменяемости) факторов: отсутствие или недостаток некоторых экологических факторов может быть компенсировано другим близким (аналогичным) фактором. Закон незаменимости фундаментальных факторов:

полное отсутствие в среде

фундаментальных экологических факторов (света, воды, биогенов и т. д.) не может быть заменено другими факторами. Закон толерантности В. Шелфорда: лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору. Правило

Э.

А.

Митчерлиха

как

закон

физиологических

взаимосвязей,

переименован Б. Бауле в закон совокупного действия, согласно которому продуктивность биологической системы определяется всей совокупностью действующих экологических факторов. Раздел 43. Демэкология.

39

В задачи популяционной экологии или демэкологии входит исследование общих закономерностей динамики численности и структуры популяции, а также взаимодействий популяций различных видов. Популяция это минимальная самовоспроизводящаяся группа особей одного вида, на протяжении эволюционно длительного времени населяющая определенное пространство, образующая генетическую систему и формирующая собственную экологическую нишу или популяция - это группа особей одного вида, занимающая определённое пространство. Популяция характеризуется следующими показателями: численность, плотность, рождаемость, смертность, жизненный цикл, способность к росту, приспособляемость, дифференцировка, самоподдержание. Любой популяции присуща определённая организация или структура популяции: 1.

Возрастная структура популяции.

2.

Половая структура популяции.

3.

Пространственная структура.

4.

Этологическая структура. Раздел 44. Синэкология.

Синэкология рассматривает группы организмов, составляющих определённые единства. 1. Биоценоз. Биоценоз или биотическое сообщество – это любая совокупность популяций, населяющих определенную территорию или биотоп. 2. Экосистема. Любое единство, включающее все организмы

(т.е. «сообщество»)

на данном

участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ (т.е. обмен веществами между биотической частями)

внутри

и

системы, представляет собой экологическую

абиотической систему,

или

экосистему. Продуктивность экологической системы – это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, образуя органическое вещество, которое может быть использовано в качестве пищи. Продуктивность подразделяется на: первичную (валовая и чистая) и вторичную. Раздел 45. Биосферология. (Тема для самостоятельного изучения). 40

1. Геосферы Земли. Атмосфера (от греч. atmos – пар) – газовая оболочка земли, которая удерживается планетой посредством силы тяжести и принимает участие в её суточном и годовом вращении. Она состоит из смеси различных газов (78 % азота, 21 % кислорода, 0,9 % аргона, 0,03 % углекислого газа), до 3% водяного пара и пыли. Общая масса атмосферы — 5,154 ×1015 т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 20 – 25 км, расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов. Атмосфера делится на слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, которые отличаются температурой, ионизацией молекул и другими параметрами. Между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный обмен теплом и влагой, что вместе с циркуляцией атмосферы влияет на основные климатообразующие процессы. В формировании природной среды Земли велика роль тропосферы – нижнего слоя атмосферы до высоты 8 –10 км в полярных, 10 – 12 – в умеренных и 16 – 18 км в тропических широтах. В тропосфере

происходят

глобальные

вертикальные

и

горизонтальные

перемещения

воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений. С увеличением высоты плотность воздуха убывает, и атмосфера плавно переходит в космическое пространство. Гидросфера (от греч. gidra – вода) – водная оболочка Земли. Она включает в себя совокупность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Гидросфера является колыбелью жизни на нашей планете. Объем гидросферы не превышает 0,13 % объема земного шара. Мировой океан составляет 96,53 % от общего объема гидросферы, подземные воды — 1,69 % (23,4 млн. км3), остальное — воды рек, озер и ледников. От всех водных ресурсов Земли соленые воды составляют 98 %, пресные — около 2 % (28,25 млн. км3). Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится всего 0,3 % (4,2 млн. км3). Весьма активно она влияет и на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой и т.д.). Литосфера (от греч. lithos – камень) – верхняя твёрдая оболочка Земли, ограниченная сверху атмосферой и гидросферой, а снизу – астеносферой – слоем пониженной твёрдости, прочности и вязкости, расположенным в верхней мантии Земли. Мощность литосферы колеблется в пределах 50 – 200 км. Процесс преобразования литосферы живыми организмами,

41

начавшимися около 450 млн. лет назад, привел к образованию почвы, ее мощность достигает 2 – 3 м. Литосфера включает: земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Земная кора сложена горными породами, среди которых более 70 % магматических пород, 17 % метаморфических (преобразованных давлением и температурой) и чуть больше 13 % приходится на осадочные породы. Верхняя её часть – осадочный слой, он состоит из осадочных пород, средняя – «гранитный» слой (выражен только на материках), нижняя – «базальтовый» слой. Она является важнейшим ресурсом для человечества: содержит топливно-энергетическое сырье, рудные и нерудные полезные ископаемые, естественные строительные материалы. Под земной корой располагается мантия (толщиной около 2900 км). Занимает 83 % Земли по объёму и 67 % по массе. Мантия Земли состоит, видимо, преимущественно из тяжёлых металлов, богатых магнием и железом. С процессами, происходящими в верхней, граничащей с земной корой, мантии Земли, тесно связаны тектонические движения, действия вулканов, горообразование и др. Ядро Земли – наиболее плотная центральная часть (геосфера) Земли. Его плотность составляет от 9400 кг/м3 в периферической области до 17200 кг/м3 (в два с лишним раза выше, чем у железа) в более глубоких слоях; давление достигает 140 – 350 ГПа (1,4 – 3,5 млн. атм.), температура 2000 – 5000 0С. Предполагают, что по химическому составу вещество ядра сходно с веществом мантии Земли, но находится в металлическом состоянии. 2. Строение и функции биосферы. Совокупность всех биогеоценозов (экосистем) Земли представляет собой большую экологическую систему — биосферу или сферу жизни. Атмосфера, гидросфера и литосфера тесно взаимодействуют между собой. Практически все поверхностные экзогенные геологические процессы обусловлены этим взаимодействием и проходят, как правило, в биосфере. Границы биосферы, определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов. В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает, прежде всего, температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5 – 15 км превышает 100 оС. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2 – 2,5 км бактерии регистрируются в большом количестве. 42

В океане жизнь распределена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10 – 11 км от поверхности. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется высотой озонового слоя. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Атмосфера над поверхностью

Земли

насыщена

многообразными

живыми

организмами,

которые

передвигаются в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20 – 22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое 1 – 1,5 км. В горах граница распределения наземной жизни – около 6 км над уровнем моря. Таким образом, в биосферу входят часть атмосферы до высоты 23 — 25 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины три километра. Взаимодействие абиотической части биосферы — воздуха, воды и горных пород и органического вещества — биоты, обусловило формирование почв и осадочных пород. Последние, по В.И. Вернадскому, несут на себе следы деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые геологические эпохи. Концентрация и активность жизни особенно велики у поверхности Земли. Водоёмы заселены по всей толще, со сгущениями у поверхности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелководные участки. На суше более 99 % живого вещества или биомассы, сосредоточено в слое на несколько метров в глубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Крайние пределы температур, которые выносят некоторые формы жизни (в латентном состоянии) - от практически абсолютного нуля до 180 оС. Давление, при котором существует жизнь, - от малых долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12 тыс. атм. Споры бактерий, конидий и мицелий некоторых грибов не теряют, жизнеспособность в условиях высокого вакуума (достигающего 10-13 – 10-11 мм рт. ст., вакуум космического пространства составляет 10-16мм рт. ст.). Бактерии обнаружены в водах атомных реакторов, некоторые из них выдерживают облучение порядка 2 – 3 млн. рад. При температурах жидкого воздуха -192 °С, гелия –268,9 °С, водорода –259,1 °С ряд бактерий остаются живыми. Возникла современная биосфера 3,5 – 4 млрд. лет назад. Она включает живые организмы (около 4 млн. видов), их остатки, зоны атмосферы, гидросферы и литосферы, населённые и видоизменённые этими организмами. Всю совокупность организмов на планете В. И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

43

Следовательно, биосфера – это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ. Главной отличительной особенностью живого вещества в целом является способ использования энергии. Живые существа уникальные природные объекты, способные улавливать энергию, которая приходит из Космоса, преимущественно в виде солнечного света, удерживать её в виде сложных органических соединений (биомассы), передавать друг другу, трансформировать в механическую, электрическую, тепловую и другие виды энергии. Косные, неживые тела не способны к столь сложным преобразованиям энергии. Они преимущественно рассеивают её: камень нагревается под действием солнечной энергии, но не может ни сойти с места, ни увеличить свою массу. Другая особенность живых организмов состоит в их уникальной способности к самовоспроизведению, т. е. к производству на протяжении многих поколений форм, практически идентичных по структуре и функционированию. Функции живого вещества: Энергетическая, состоит в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с излучением космоса, и, прежде всего с солнечной радиацией. Основой указанной функции является фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца и её последующее перераспределение между компонентами биосферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов. За время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую энергию огромное количество солнечной энергии. При этом существенная часть её в ходе геологической истории накопилась в связанном виде – залежи угля, нефти и т. д. Благодаря Газовой функции происходит миграция газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы. Отметим, что преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение. Так, кислород атмосферы накоплен за счёт фотосинтеза. При этом количество молекул кислорода, выделяемых земными растениями, пропорционально количеству связываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмосферу за счёт дыхания всех организмов. Другой не менее мощный его источник – выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счёт химических процессов под действием высоких температур. Концентрационная функция проявляется в извлечении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые используют для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. 44

Окислительно

–

восстановительная

функция

заключается

в

химическом

превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном атомы железа и марганца, но и других). В результате происходят превращения большинства

химических соединений, при этом преобладают процессы окисления и

восстановления. Благодаря деструкционной функции протекают процессы, связанные с разложением остатков мёртвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т. е. превращение живого вещества в неживое. Таким образом, живое вещество трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Оно определило современный состав атмосферы, гидросферы, почв и осадочных пород Земли. 3. Круговороты веществ. Биосфера Земли характеризуется определенным образом сложившимся круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ — многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический (большой), биогеохимический (биологический или малый) и антропогенный круговороты. До недавнего времени в науке говорилось только о первых двух. Геологический — это круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы, осуществляется без участия живых организмов. Большой круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Этот круговорот в системе «магматические породы — осадочные породы — метаморфические породы

—

магматические породы» происходит за счет глубинных (эндогенных) и внешних (экзогенных) процессов, происходящих, соответственно в глубинах Земли и на ее поверхности, большой круговорот — это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности океана (на это тратится 50 % солнечной энергии), частью переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подъемного стока, а часть осадков выпадает на эту же водную поверхность океана. В круговороте на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в 45

формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за два миллиона лет. Биогеохимический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. Малый круговорот веществ в биосфере совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его — в образовании живого вещества из неорганического в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на Земле, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. В биогеохимических круговоротах следует различать две части: 1) резервный фонд — это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами, 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. В биосфере в целом можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте). Антропогенный круговорот (обмен) — круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот (обмен)). В отличие от геологического и биологического круговоротов веществ, антропогенный круговорот веществ в большинстве случаев является незамкнутым. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды. Именно они и являются основной причиной всех экологических проблем человечества. Все эти циклические процессы расходуют солнечную энергию и, лишь единственный на Земле процесс не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее, — это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле. Круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и элементов: Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и 46

переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ. Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство

человека

в

круговорот

углерода

(сжигание

угля,

нефти,

газа,

дегумификация) приводит к возрастанию содержания СO2 в атмосфере. Скорость круговорота СО2, то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет. Круговорот кислорода. Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (O2) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами, и при минерализации органических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т.д. Основная доля кислорода продуцируется растениями суши — почти 3/4, остальная часть — фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота — около 2 тыс. лет. Круговорот азота. Запас азота (N2) в атмосфере огромен (78 % от ее объема). Однако растения поглощать свободный азот не могут, а только в связанной форме, в основном в виде NН4+ или NО3-. Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растениям формы. В растениях азот закрепляется в органическом веществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передается по цепям питания. После отмирания живых организмов, редуценты минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу. Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Раздел 46. Заключение. 47