БИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ ЭКОЛОГИИ

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет
им. Н. И. Вавилова»
БАЛАШОВСКИЙ ФИЛИАЛ
Ларионов М. В.
БИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ ЭКОЛОГИИ
учебно-методическое пособие
для студентов очного и заочного отделений небиологических
специальностей вузов
Балашов – 2010
УДК 573
ББК 28я73
Б63
Автор-составитель:
М. В. Ларионов
Рецензенты:
Доктор биологических наук, профессор
Брянского государственного университета им. академика И. Г. Петровского
В. Б. Любимов
Кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
Балашовского института Саратовского государственного университета
им. Н. Г. Чернышевского
Е. Б. Смирнова
Кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
Балашовского института Саратовского государственного университета
им. Н. Г. Чернышевского
М. Ю. Сергадеева
Печатается по решению редакционного издательского совета
Балашовского филиала ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный
университет им. Н. И. Вавилова».
Б63 Биология с основами экологии: Учебно-методическое пособие для студентов
очного и заочного отделений небиологических специальностей вузов / авт.-сост. М. В.
Ларионов. – Балашов: , 2010. – 72 с.
ISBN 978-5-004001-11-7
В учебно-методическом пособии к курсу «Биология с основами экологии» представлены
фрагменты лекционного курса, тематика практических и лабораторных занятий,
адаптированные к изучению студентами небиологических специальностей данной дисциплины.
Пособие рекомендовано преподавателям и студентам вузов.
2
Оглавление
Введение………………………………………………………………………………………..…3
Глава I. Фрагменты лекционного курса по дисциплине биология……………………………4
Тема 1. Биология как наука. Краткий исторический очерк. Система
биологических наук. Значение биологии для сельского, лесного,
промыслового хозяйства и медицины…………………………………………………………..4
Тема 2. Теории происхождения жизни. Уровни организации жизни………………………...6
Тема 3. История эволюции органического мира. Системы организмов.
Основы современной систематики……………………………………………………………...8
Тема 4. Размножение и индивидуальное развитие организмов……………………………….9
Тема 5. Обмен веществ и энергии клетки……………………………………………………..12
Тема 6. Основы генетики……………………………………………………………………….13
Тема 7. Основы селекции……………………………………………………………………....15
Тема 8. Общий обзор организма человека. Концепции физиологии человека………….….17
Тема 9. Здоровье……………………………………………………………………………...…19
Лабораторно-практические занятия по биологии………………………………………...20
Глава II. Фрагменты лекционного курса по основам экологии…………………………..….36
Тема 1. Введение, история и задачи курса «Экология»………………………………..…….36
Тема 2. Среды жизни организмов и экологические факторы…………………………….….36
Тема 3. Экология популяций……………………………………………………………….….37
Тема 4. Биоценозы, экосистемы…………………………………………………………...…..38
Тема 5. Основы учения о биосфере. Работы В.И. Вернадского…………………….……….39
Тема 6. Биосфера и человек. Ноосфера…………………………………………………….….40
Тема 7. Глобальные экологические проблемы…………………………………………....…..41
Тема 8. Региональные экологические проблемы……………………………………..………42
Тема 9. Экология сельского хозяйства……………………………………………….….….....43
Лабораторно-практические занятия по экологии……………………………….………..44
Приложение……………………………………………..……………………………..……….47
Список рекомендуемой литературы…………….………………………..………..………..53
3
Введение
Сельское хозяйство стоит ближе к природе по своей сущности по сравнению с другими
видами производственной деятельности человека. Оно широко использует ресурсы природы в
производственном процессе, связано с воспроизводством живых организмов (растений,
животных), а, следовательно, сохраняет специфику производственных процессов,
обусловленную природными факторами, несмотря на рост технической вооруженности.
Поэтому очевидна необходимость целенаправленной подготовки будущих специалистов с
экологической установкой.
Формированию экологического сознания у инженеров сельского хозяйства способствует
изучение основ биологии и экологии, поскольку их деятельность находится на стыке живой и
неживой природы. Будущий специалист должен знать законы биологии и экологии, чтобы
сформировать основы рационального природопользования, управления развития экосистем,
ликвидации техногенных воздействий на окружающую среду.
Дисциплина состоит из двух частей: основ биологии и экологии. Решение этих задач в
аудиторном секторе позволит улучшить и создать новые ресурсо- и энергосберегающие
технологии, оптимизировать агроландшафты, повысив их устойчивость к антропогенным
воздействиям.
4
Глава I. Фрагменты лекционного курса по дисциплине биология
Тема 1. Биология как наука. Краткий исторический очерк. Система
биологических наук. Значение биологии для сельского, лесного,
промыслового хозяйства и медицины
Биология (от «био» – жизнь и «логос» – учение) – совокупность наук о живой природе.
Предмет биологии — все проявления жизни: строение и функции живых существ и их
природных сообществ, распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и с
неживой природой.
Задачи биологии — изучение закономерностей этих проявлений, раскрытие сущности
жизни, систематизация живых существ. Термин «биология» предложен в 1802 Ж.Б. Ламарком и
Г.Р. Тревиранусом независимо друг от друга. Он упоминается также в сочинении Т. Роозе
(1797) и К. Бурдаха (1800).
Исторический очерк. Современная биология уходит корнями в древность и берёт начало в
странах Средиземноморья (Древний Египет, Древняя Греция). Крупнейшим биологом
древности был Аристотель.
1. В средние века накопление биологических знаний диктовалось в основном интересами
медицины. Однако вскрытия человеческого тела были запрещены, и преподававшаяся по
Галену анатомия была в действительности анатомией животных, главным образом свиньи и
обезьяны.
2. В эпоху Возрождения широко распространяются и комментируются сочинения
античных философов и натуралистов (первыми ботаническими трудами были комментарии к
сочинениям Теофраста, Плиния Старшего и др.). Плеяда микроскопистов открывает тонкое
строение растений (Р. Гук, 1665; М. Мальпиги, 1675—79; Н. Грю, 1671—82) и их половые
различия (Р. Камерариус, 1694, и др.), мир микроскопических существ, эритроциты и
сперматозоиды (А. Левенгук, 1673 и сл..), изучает строение и развитие насекомых (Мальпиги,
1669; Я. Сваммердам, 1669).
3. В 18 в. фундаментальную «Систему природы» (1735), основанную на признании
неизменности изначально сотворенного мира, дал К. Линней, применив бинарную
номенклатуру. Ш. Бонне развил (1745, 1764) идею «лестницы существ», которую эволюционно
истолковал Ж. Б. Ламарк (1809).
4. В сер. 19 в. установлены особенности питания растений и его отличие от питания
животных, сформулирован принцип круговорота веществ в природе (Ю. Либих, Ж. Б.
Буссенго). В физиологии животных крупные успехи достигнуты работами Э. Дюбуа-Реймона,
заложившего основы электрофизиологии, К. Бернара, выяснившего роль ряда секреторных
органов в пищеварении (1845, 1847) и доказавшего синтез гликогена в печени (1848), Г.
Гельмгольца и К. Людвига, разработавших методы изучения нервно-мышечной системы и
органов чувств.
Крупнейшим завоеванием 19 в. было эволюционное учение Ч. Дарвина, изложенное им в
труде «Происхождение видов…» (1859), в котором он вскрыл механизм эволюционного
процесса путём естественного отбора.
5. Отправными пунктами развития генетики в нач. 20 в. стали менделизм и мутационная
теория (X. Де Фриз, 1901—03), способствовавшие в дальнейшем синтезу генетики и
дарвинизма. Была сформулирована хромосомная теория наследственности (Т. Бовери, 1902—
07; У. Сеттон, 1902), однако лишь Т. Морган и его школа (1910 и позже) обосновали и
разработали её полностью.
В 20—30-х гг. 20 в. была вскрыта роль в эволюции мутационного процесса, колебаний
численности и изоляции при направленном действии отбора (С.С. Четвериков, Дж. Б.С.
Холдейн, Р. Фишер, С. Райт, Дж. Хаксли, Ф. Г. Добржанский, Э. Майр и др.). Крупнейшим
достижением биологии является создание В.И. Вернадским биогеохимии и учения о биосфере
(1926), В.Н. Сукачёвым — биогеоценологии (1942), А. Тенсли — учения об экосистемах (1935).
5
Система биологических наук. Одними из первых в биологии сложились комплексные
науки по объектам исследования — о животных — зоология, растениях — ботаника; анатомия
и физиология человека — основа медицины.
В пределах зоологии сформировались более узкие дисциплины, например протозоология,
энтомология, орнитология, териология и др.; в ботанике — альгология, бриология, дендрология
и т.д. В самостоятельные науки выделились микробиология, микология, лихенология,
вирусология. Многообразие организмов и распределение их по группам изучают систематика
животных и систематика растений. Изучением прошлой истории органического мира
занимается палеонтология и её разделы — палеозоология, палеоботаника, палеоэкология и др.
Другой аспект классификации биологических дисциплин — по исследуемым свойствам и
проявлениям (механизмам) живого. Форму и строение организмов изучают морфологические
дисциплины — цитология, гистология, анатомия; состав и ультраструктуру тканей и клеток —
биохимия, биофизика, молекулярная биология; образ жизни животных и растений и их
взаимоотношения с условиями среды обитания — экология и более специально —
гидробиология, биогеография, биогеоценология и т. д.; функции живых существ изучают
физиология животных и физиология растений; закономерности поведения животных —
этология; закономерности наследственности и изменчивости — предмет исследований
генетики; закономерности индивидуального развития изучает эмбриология или в более
широком современном понимании — биология развития; историческое развитие —
эволюционное учение. Широкое проникновение математики в разделы биологии вызвало к
жизни математическую биологию, биометрию.
В целом для биологии характерно взаимопроникновение идей и методов различных
биологических дисциплин, а также др. наук — химии, физики, математики.
Значение биологии для сельского, лесного, промыслового хозяйства и медицины.
Необходимые для питания белки, жиры, углеводы, витамины человек получает главным
образом от культурных растений и прирученных животных. Знание законов генетики и
селекции, а также физиологических особенностей культурных и одомашненных видов
позволяет совершенствовать агротехнику и зоотехнику, выводить более продуктивные сорта
растений и породы животных. Уровень знаний в области биогеографии и экологии определяет
возможность и эффективность интродукции и акклиматизации. Биохимические исследования
позволяют полнее использовать получаемые органические вещества растительного и животного
происхождения, а также их лабораторного и промышленного синтеза.
Развитие в последние годы генетической инженерии открывает широкие перспективы для
биотехнологии биологически активных и лекарственных веществ. Исключительно важное
значение имеет биология как теоретическая основа ведения сельского, лесного и промыслового
хозяйства. Познание закономерностей размножения и распространения болезнетворных
вирусов и бактерий, а также паразитических организмов необходимо для успешной борьбы с
инфекционными и паразитарными заболеваниями человека и животных.
Тема 2. Теории происхождения жизни. Уровни организации жизни
Среди главных теорий возникновения жизни на Земле следует упомянуть следующие:
− жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время – теория
креационизма;
− жизнь возникала неоднократно из неживого вещества – теория самопроизвольного
зарождения;
− жизнь существовала всегда – теория стационарного состояния;
− жизнь занесена на нашу планету извне – теория панспермии;
− жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим
законам – биохимическая эволюция.
Теория креационизма. Согласно этой теории, жизнь возникла в результате какого-то
сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех
наиболее распространенных религиозных учений.
6
Теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения. Эта теория распространена в
Древнем Китае, Вавилоне и Древнем Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым
она сосуществовала. Аристотель (384-322 гг. до н.э.) также придерживался данной теории.
В 1860 Луи Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг
теорию спонтанного зарождения.
Теория стационарного состояния. Согласно этой теории, земля никогда не возникала, а
существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то
очень мало. Виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть
лишь две возможности – либо изменение численности, либо вымирание.
Теория панспермии. Эта теория выдвигает идею о внезапном происхождении жизни.
Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное
время и в разных частях Галактики или Вселенной.
Биохимическая эволюция. Наиболее широкое признание получила гипотеза, согласно
которой жизнь возникла как результат длительной эволюции углеродных соединений.
Разработка такой гипотезы принадлежит А.И. Опарину. Несколько позднее к подобной
гипотезе пришел Дж. Холдейн. Формулировка гипотезы А.И. Опариным была сделана в 1924,
Дж. Холдейном в 1929 году.
В процессе становления жизни на Земле условно выделяют 4 этапа:
1. Синтез низкомолекулярных органических веществ из газов первичной атмосферы.
2. Полимеризация мономеров с образование цепей белков и нуклеиновых кислот.
3. Образование систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами;
4. Возникновение простейших клеток, обладающих свойствами живого.
Первые три этапа относят к химической эволюции, с четвертого этапа начинается
биологическая эволюция. Возможность химической эволюции подтверждена опытами в
лабораторных условиях, начало которым было положено в 1953 году С. Миллером.
По данным современной науки, возраст Земли оценивается в 4,6 млрд. лет, а первые
признаки жизни на ней (по данным палеонтологии) появились около 3,8 млрд. лет назад.
Эволюция коацерватов завершилась образованием мембраны из фосфолипидов.
Появление первых клеточных организмов положило начало биологической эволюции жизни.
Первые живые организмы были гетеротрофными (использовали в качестве пищи
органические вещества первичного океана), анаэробами (в атмосфере Земли не было
свободного кислорода).
Следующим этапом эволюции было приобретение фотосинтезирующими организмами
способности использовать воду в качестве источника водорода. С этого времени в атмосфере
Земли начал накапливаться свободный кислород. Первыми организмами, выделившими
кислород в атмосферу, были цианобактерии, или синезеленые водоросли.
Накопление свободного кислорода в атмосфере привело к тому, что, одни из анаэробов
вымерли, другие нашли среду, лишенную кислорода, третьи вступили в симбиоз с аэробными
клетками, вследствие чего возникли эукариотические клетки.
В организации живого в основном различают молекулярный, клеточный, организменный,
популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический (экосистемный) уровень.
Молекулярный уровень. Этот уровень является глубинным в организации живого и
представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов и стероидов,
находящихся в клетках и, как уже отмечено, получивших название биологических молекул.
Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен клетками,
действующими в качестве самостоятельных организмов (бактерии, простейшие и др.), а также
клетками многоклеточных организмов. На основе различий в строении клеток в органическом
мире выделяют прокариоты (ц. бактерий) и эукариоты (ц. грибы, ц. растения, ц. животные).
Организменный уровень. Этот уровень представлен самими организмами –
одноклеточными и многоклеточными растительной и животной природы. Главные отличия
живых организмов – способность к саморегуляции (сохранению строения, состава и свойств) и
способность к самовоспроизведению (многократному повторению своих характеристик в
поколениях).
7
Популяционно-видой уровень. Этот уровень определяется видами растений, животных и
микроорганизмов, существующими в природе в качестве живых звеньев. Популяция –
элементарная единица вида и эволюции. Популяционный состав видов чрезвычайно
разнообразен.
Биоценотический (экосистемный) уровень. Представлен биогеоценозами, составной
частью которых является биоценоз.
Биогеоценоз – однородный участок земной поверхности с определенным составом живых
организмов (биоценоз) и неживых компонентов (приземный слой атмосферы, солнечная
энергия, почва и др.), объединенных обменом веществ и энергии в единый сложный природный
комплекс. Понятие биогеоценоз введено В.Н. Сукачевым (1940 г.). Чаще используется термин,
предложенный в 1935 году английским ученым Тенсли «экосистема», хотя он многозначен и
употребляется также по отношению к искусственным комплексам организмов и абиотических
компонентов (аквариум, космический корабль), к отдельным частям биогеоценоза (гниющий
пень с населяющими его организмами).
Совокупность всех входящих в биогеоценоз живых организмов составляет биоценоз.
Любой биоценоз включает:
− продуценты (растения);
− консументы (животные);
− редуценты (микроорганизмы, живущие за счет органических веществ и разлагающие их
до минеральных компонентов).
Биосферный уровень. Этот уровень является высшей формой организации живого (живых
систем).
Биосфера – совокупность всех биогеоценозов (экосистем) Земли. Включает все живое и
неживое, связанное с жизнью. Совокупность всех живых организмов планеты составляет живое
вещество биосферы.
Границы биосферы определяются наличием условий для жизни.
Биосфера охватывает:
− поверхность Земли;
− верхнюю часть литосферы (твердой оболочки Земли);
− гидросферу (всю);
− нижнюю часть атмосферы (тропосферу).
Наибольшая концентрация жизни находится на границах сфер: у границ соприкосновения
литосферы и атмосферы (почва), гидросферы и атмосферы (верхние слои мирового океана),
литосферы и гидросферы (дно мирового океана). В.И. Вернадский их называл «пленками
жизни».
Тема 3. История эволюции органического мира. Системы
организмов. Основы современной систематики
Эволюция (от лат. evolutio – развертывание) – необратимый процесс исторического
изменения (филогенеза) живого.
В истории развития жизни на Земле выделяют несколько эр: архейскую, протерозойскую,
палеозойскую, мезозойскую, кайнозойскую.
Архейская эра — эра зарождения жизни: жизнь зародилась в морях около 3,5 млрд лет
назад как результат усложнения материи; в отложениях встречаются породы, которые могли
возникнуть только при участии бактерий, в том числе сине-зеленых водорослей, или
цианобактерий.
Протерозойская эра — эра древнейшей жизни, началась 2 млрд лет назад, закончилась
600 млн лет назад: появились ядерные формы одноклеточных организмов и первые
многоклеточные; жизнь развивается в воде (вероятно, одноклеточные организмы были и в
сырых местах суши); в протерозое возникли все основные группы водорослей, многие типы
животных.
8
Палеозойская эра — эра древней жизни, продолжалась 350 млн лет, закончилась 250 млн
лет назад; характеризуется бурным развитием живых организмов: в океане появились животные
с прочными раковинами (до 75 см длиной) — трилобиты, плеченогие (особый тип животных)
(кембрий и ордовик); возникновение челюстей у рыб — важный ароморфоз в эволюции
позвоночных (силур); произошло овладение организмов сушей; появились псилофиты (имели
механические, проводящие, покровные ткани, устьица) и стегоцефалы — древние земноводные
(произошли от кистеперых рыб) (девонский период); в каменноугольном периоде время
расцвета древовидных папоротников, а в перми появились древние голосеменные и
пресмыкающиеся.
Мезозойская эра. Продлилась 160 млн лет. В это время появились первые млекопитающие
(зверозубые ящеры), господство голосеменных растений, травоядных и хищных ящеров (риас);
первые зубатые птицы (юрский период); далее появились настоящие птицы; в морях
преобладали настоящие костные рыбы (меловой период).
Кайнозойская эра. Длилась 60—70 млн лет. Выделяют периоды: палеоген и неоген:
вечнозеленые леса сменились листопадными и степями, наступило время оледенения,
млекопитающие стали разнообразными; антропоген: формируется новый вид — Человек
разумный. Мир живых существ насчитывает не менее 2 млн. видов. Все это многообразие
организмов изучает систематика.
Систематика – (от греч. systematikos – упорядоченный), раздел биологии, задачей
которого является описание и обозначение всех существующих и вымирающих организмов, а
также их классификация по таксонам (группировкам) разичного ранга.
Основы систематики как биологической науки изложены в работах Дж. Рея (1686-1704) и
особенно К. Линнея (1735 и позже). Учение Ч. Дарвина (1859 и позднее) придало уже
сложившейся систематике эволюционное содержание.
Границы между тремя царствами эукариот служат предметом разногласий и лишь
будущие исследования могут внести ясность в этот дискуссионный вопрос.
Примерами современных систем организмов могут служить системы А.Л. Тахтаджяна
(1973), Л. Маргелис и др. авторов. На основе данных, приведенных в этих работах, система
организмов представляется в следующем виде:
А. НАДЦАРСТВО ДОЯДЕРНЫЕ ОРГАНИЗМЫ, ИЛИ ПРОКАРИОТЫ.
I. Царство Бактерии.
1. Подцарство бактерии.
II. Царство Архебактерии.
Б. НАДЦАРСТВО ЯДЕРНЫЕ ОРГАНИЗМЫ, ИЛИ ЭУКАРИОТЫ.
I. Царство Животные.
1. Подцарство Простейшие.
2. Подцарство Многоклеточные.
II. Царство Грибы.
III. Царство Растения.
1. Подцарство Багрянки
2. Подцарство Настоящие водоросли.
3. Подцарство Высшие растения.
Тема 4. Размножение и индивидуальное развитие организмов
В основе всех способов размножения организмов лежит деление клеток. Рост организма
происходит за счет деления клеток. Период от окончания одного деления до начала
следующего называется жизненным или клеточным циклом.
Для высокоспециализированных клеток цикл длится от момента образования клетки до ее
смерти.
В жизненном цикле клетки выделяют два периода:
I - период между делениями – интерфаза, когда клетка растет, функционирует и готовится
к делению.
9
II - период деления.
I период – интерфаза: происходит редупликация ДНК, удвоение числа хромосом,
образование белков ахроматинового веретена деления, синтез АТФ, рост биомассы клетки.
Различают три периода интерфазы
1 пресинтетический – клетки растут, синтезируют РНК, белки, АТФ, но синтез ДНК не
происходит, клетка содержит диплоидный набор (2n) хромосом (каждая хромосома состоит из
1-ой хроматиды);
2 синтетический – в клетках идет синтез ДНК, каждая хромосома достраивает
недостающую хроматиду (количество хромосом 2 n);
3 постсинтетический, или предмитотический – в клетке синтезируются белки
митотического аппарата, удваиваются центриоли, накапливается энергия (количество хромосом
2 n).
Далее следует деление клетки, которое может быть непрямым (митоз) и прямым (амитоз).
Митоз (кариокинез) – способ деления, при котором каждая дочерняя клетка получает
такие и столько хромосом, какие и сколько было у материнской клетки (Приложение, рис. 1).
Профаза – увеличивается объем ядра и клетки. Функциональная активность
прекращается. Центриоли расходятся к полюсам. Хромосомы спирализируются, утолщаются и
укорачиваются. В конце профазы ядерная оболочка распадается и хромосомы беспорядочно
рассеиваются в цитоплазме.
Метафаза – спирализация хромосом достигает максимума, они располагаются по
экватору.
Анафаза – каждая хромосома распадается на две хроматиды (они называются дочерними
хромосомами). Каждая хроматида (дочерня хромосома) расходится к полюсам клетки.
Телофаза – хромосомы раскручиваются, деспирализуются. Образуется ядерная оболочка
из мембранных структур клетки.
Митоз обеспечивает эмбриональное развитие, рост, поддержание структурной
целостности тканей при постоянной гибели клеток в процессе их функционирования,
восстановление органов и тканей при постоянной гибели клеток в процессе их
функционирования, восстановление органов и тканей после повреждения; обеспечивает
бесполое и вегетативное размножение организмов.
Мейоз (редукционное деление) – особая форма деления гамет, в результате которого клетки
из диплоидного состояния переходят в гаплоидное, что необходимо для восстановления при
копуляции диплоидного набора хромосом (Приложение, рис. 2).
У высших растений у мхов и папоротников с помощью мейоза образуются споры, а у
животных гаметы (мужские половые клетки в семенниках в процессе сперматогенеза, женские
клетки в яичниках в процессе оогенеза).
Первое деление мейоза
Профаза – спирализация хромосом; конъюгация, в ходе которой хромосомы каждой пары
(гомологичные) соединяются по всей длине и скручиваются, в это время некоторые
гомологичные хромосомы обмениваются участками – генами (этот процесс называется
кроссинговер) и расходятся; образуется веретено деления.
Метафаза – хромосомы располагаются в плоскости экватора.
Анафаза – к полюсам клетки отходят целые хромосомы (каждая состоит из двух
хроматид).
Телофаза – образуются две клетки с гаплоидным набором гомологичных хромосом.
Второе деление мейоза (перед профазой синтез ДНК не происходит) идет по схеме
митоза.
Профаза – короткая.
Метафаза – хромосомы располагаются в плоскости экватора и прикрепляются к нитям
веретена деления.
Анафаза – хроматиды расходятся к полюсам клетки, и в каждой дочерней клетке
оказывается по одной дочерней хромосоме.
10
Телофаза – из двух клеток образуется 4 клетки с гаплоидным набором гомологичных
хромосом.
Амитоз (в природе встречается редко). Вначале делится ядро на две или несколько частей
без спирализации хромосом. Далее перешнуровывается цитоплазма и образуется несколько
новых клеток. Таким путем делятся простейшие, одноклеточные растения и некоторые клетки
многоклеточных (клетки эпителия печени).
Формы размножения организмов
Бесполое размножение: в размножении участвуют одна родительская особь, которая
может делиться, почковаться, или образовывать споры.
– Делением - размножаются бактерии, одноклеточные водоросли, простейшие, при этом их
тело делится пополам.
– Почкованием – размножаются дрожжи, гидроидные полипы и некоторые другие
беспозвоночные животные.
– Спорами – особыми клетками, возникающими в результате митоза; они покрыты
плотной оболочкой, спорообразование характерно для многих растений, грибов, а также
встречается у некоторых животных.
– Вегетативное – один из способов бесполого размножения, широко распространено в
природе и в практике сельского хозяйства.
Половое размножение – в этом процессе участвуют две особи: мужская и женская,
образуются половые клетки – гаметы: сперматозоиды и яйцеклетки; оплодотворенная
яйцеклетка называется зиготой.
Индивидуальное развитие организмов (онтогенез). Процесс индивидуального развития
особи с момента образования зиготы до конца жизни организма носит название – онтогенеза.
Зигота образуется в процессе оплодотворения – слияния мужской и женской половых клеток.
I период включает:
– дробление – зигота претерпевает ряд митотических делений (клетки быстро делятся, но
не растут; деления чередуются: клетки делятся сначала в продольном направлении, а затем в
поперечном, образуются 2, 4, 8, 16, 32, и т. д.); яйцо, имеющее небольшое количество желтка,
подвергается дроблению полностью; у рыб, пресмыкающихся, птиц дроблению подвергается
только зародышевый диск;
– стадия бластулы: дробление заканчивается образованием небольшого полого пузырька,
стенка которого состоит из одного слоя клеток.
– образование гаструлы: продолжается митотическое деление клеток; внутрь полости
бластулы погружается стенка – образуется двухслойный мешок – гаструла; тело зародыша
состоит из эктодермы и энтодермы (2-х зародышевых листков); образуется мезодерма: средний
зародышевый листок; происходит обособление хорды, формирование кишечника, развитие
центральной нервной системы; в конце гаструляции клетки эктодермы (перед отверстием
первичного рта) быстро делятся и образуют нервную пластинку, которая тянется по всей
спинной стороне зародыша; центральная часть пластинки образует нервный желобок, из
которого формируется нервная трубка.
II период включает:
Постэмбриональное развитие (послезародышевое) – развитие от момента выхода
организма из яйцевых оболочек или с момента рождения.
Постэмбриональное развитие организма может быть:
– прямое, когда родившийся организм сходен со взрослым (пиявки, многоножки, пауки,
большинство позвоночных);
– непрямое, когда вначале появляется личинка, не похожая на взрослый организм (у
кишечнополостных, например у медуз; плоских и многощетинковых червей; ракообразных;
насекомых; у позвоночных у амфибий);
– непрямое развитие бывает с неполным превращением (яйцо, личинка, взрослое
животное) или с полным превращением (яйцо, личинка, куколка, взрослое животное).
11
Значение: личинки и взрослые организмы, как правило, живут в разных средах обитания и
не конкурируют за место и пищу; личинки способствуют распространению вида (беззубки,
перловицы и др.).
Тема 5. Обмен веществ и энергии клетки
Совокупность химических реакций биосинтеза (ассимиляция) и распада (диссимиляция),
лежащих в основе жизнедеятельности организма и обеспечивающих его взаимосвязь со средой
обитания, называется обменом веществ. Обмен веществ базируется на процессах пластического
и энергетического обмена, направленных на непрерывное обновление живого.
Пластический обмен, или ассимиляция, — это совокупность реакций синтеза,
направленных на образование структурных частей клеток и тканей. К нему относятся биосинтез
белка, фотосинтез, синтез жиров и углеводов.
Биосинтез белка — одно из наиболее важных и характерных свойств живой клетки.
Биосинтез белка начинается в ядре со списывания информации о структуре белковой молекулы
с ДНК на иРНК по принципу комплементарности. Данный процесс протекает как реакция
матричного синтеза и называется транскрипцией.
Фотосинтез – процесс превращения энергии солнечного света в энергию химических
связей, протекающий в зеленых листьях растений. Это происходит благодаря наличию в
хлоропластах фотосинтезирующих пигментов – хлорофилла и каротиноидов (каротин,
ксантофилл) (Приложение 2, рис. 1). Суммарно процесс фотосинтеза можно записать в
следующем виде:
6СО2+6Н2О→С6Н12О6+6О2
Результатом световой фазы фотосинтеза является образование АТФ, выделение кислорода
и восстановление НАДФ до НАДФ∙Н2.
В период темновой фазы фотосинтеза происходят сложные ферментативные реакции, в
основе которых лежит восстановление молекул углекислого газа до органических соединений,
осуществляемое при участии продуктов световых реакций. Это происходит следующим
образом.
Энергетический обмен — совокупность химических реакций расщепления сложных
органических веществ до менее сложных (вплоть до диоксида углерода и воды),
сопровождающихся освобождением энергии. Все реакции катализируются многочисленными
ферментами. Энергетический обмен — сложный многоступенчатый процесс.
Этапы энергетического обмена
Подготовительный этап. Белки превращаются в аминокислоты, крахмал — в глюкозу,
жиры — в глицерин и жирные кислоты; энергетический эффект небольшой (вся энергия
рассеивается в виде теплоты).
Гликолиз, или этап бескислородного расщепления (идет в цитоплазме клетки). Это
сложный многоступенчатый процесс, конвейер следующих друг за другом химических
реакций, протекающих без участия кислорода; его можно представить следующим суммарным
уравнением:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 = 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О
В результате каждой реакции освобождается небольшое количество энергии, а в сумме
получается внушительное количество (200 кДж/ моль): 60% рассеивается в виде теплоты, 40%
сберегается в виде АТФ.
Дыхание, или кислородное расщепление (идет в митохондриях).
Уравнение кислородного расщепления:
2С3Н6О3 + 6О2 + 36АДФ + 36Н3РО4 = 36АТФ + 6СО2 + 42Н2О
Кислородный процесс в 20 раз эффективнее, чем бескислородный. В итоге
бескислородного и кислородного этапов образуется 38 молекул АТФ (2 молекулы + 36
молекул). В течение суток в теле человека синтезируется (и расходуется) более 60 кг АТФ.
Значение АТФ в энергетическом обмене. АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) по
химической структуре — нуклеотид; состоит из пуринового основания аденина, углевода
12
рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Основная особенность этой молекулы — наличие
двух фосфатных связей, энергия которых в значительной степени превышает энергию любых
других химических связей, эти связи называются макроэргическими.
Тема 6. Основы генетики
Генетика — наука о наследственности и изменчивости живых организмов. Рождение
генетики как науки принято относить к 1900 г., когда Х. де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак
вторично открыли законы Г. Менделя, описанные им в 1865 г.
Наследственность — свойство организмов обеспечивать материальную и
функциональную преемственность между поколениями. Материальной основой ее при
бесполом размножении являются соматические клетки, при половом – гаметы (яйцеклетки,
сперматозоиды). В 1928 г. Н.К. Кольцов (1872-1940) развил концепцию о молекулярном
строении хромосом и химической природе гена, предвосхитил главные положения современной
молекулярной генетики.
Ген — это функционально неделимая единица генетического материала, представляющая
собой участок молекулы ДНК (Приложение 3, рис. 1, 2) (у некоторых вирусов — РНК),
кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомальной
РНК (Приложение 3, рис. 3, 4). Построение триплетов происходит на рибосомах (Приложении
3, рис. 5).
Каждый ген, контролирующий проявление того или иного признака, всегда парный (один
из них поступает от матери, второй – от отца). Пара генов, расположенных в одинаковых
участках (локусах) парных (гомологичных) хромосом и определяющих контрастные
(альтернативные) признаки, называется аллельными генами. Альтернативный признак,
проявляющийся у гибридов в первом поколении, — доминантный, не проявляющийся
(подавленный) — рецессивный, а гены, контролирующие эти признаки, соответственно
доминантные и рецессивные.
Совокупность генов клетки или организма, обусловливающих его развитие, называют
генотипом. Комплекс признаков и свойств организма, формирующихся в процессе
взаимодействия генотипа с внешней средой, называются фенотипом.
Изменчивость — свойство живых организмов изменяться под влиянием факторов среды в
результате приобретения новых или утраты имеющихся признаков.
Перед генетикой как наукой стоят следующие задачи:
1) изучение проблем хранения генетической информации, то есть определение структур
клетки, являющихся материальной субстанцией генетической информации и способов ее
кодирования;
2) выяснение механизмов и закономерностей передачи генетической информации от
клетки к клетке, от поколения к поколению;
3)анализ способов реализации генетической информации в конкретные признаки
организма при его взаимодействии со средой;
4) изучение типов изменения генетической информации и механизмов ее возникновения.
Материальные основы наследственности (хромосомы) изучают с помощью
цитологического метода. Анализ закономерностей наследования отдельных свойств и
признаков организма при половом размножении, а также изменчивости генов и их
комбинаторики проводят гибридологическим методом, разработанным Г. Менделем.
Закономерности наследственности. Основные закономерности наследования признаков
были открыты Г. Менделем. Скрещивание, в котором родительские особи анализируются по
одной паре альтернативных признаков, называется моногибридными, по двум — дигибридным,
по многим альтернативным признакам – полигибридным.
Первый закон закон доминирования, или закон единообразия гибридов первого поколения
(Г. Мендель): при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по одной
паре альтернативных признаков, все гибриды первого поколения однообразны как по генотипу,
так и по фенотипу. По генотипу они гетерозиготны, а по фенотипу несут доминантный
13
признак. Опыты также показали, что каждая гибридная особь может образовать два типа гамет,
которые вследствие скрещивания друг с другом могут дать особи как с доминантными (75 %),
так и с рецессивными (25 %) признаками. Таким образом, по фенотипу получается расщепление
3:1, а по генотипу — 1АА:2Аа:1аа (Приложение 4, рис. 1).
Исходя из результатов второго скрещивания, Мендель открыл второй закон – закон
расщепления: при скрещивании двух гетерозиготных особей, т. е. гибридов, анализируемых по
одной альтернативной паре признаков, в потомстве происходит расщепление по фенотипу в
соотношении 3:1 и по генотипу 1:2:1.
Проанализировав наследование признаков у гибридов второго поколения, Мендель
установил, что форма горошин не зависит от их окраски, т.е. расщепление по каждому
признаку (по каждой аллельной паре) происходит независимо от другого признака (других
аллельных генов) в соотношении 3:1. Это третий закон Менделя, или закон независимого
наследования признаков: при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся двумя (или
более) парами признаков, во втором поколении наблюдается независимое наследование и
комбинирование признаков в сочетаниях, не свойственных родительским и прародительским
особям. Цитологическими основами третьего закона Менделя являются свободное расхождение
и независимое комбинирование отцовских и материнских хромосом в мейозе при образовании
гамет гибридами. Поэтому гибриды первого поколения (АаВb) могут образовывать с
одинаковой вероятностью четыре типа гамет (АВ, АБ, аВ, аВ) (Приложение 4, рис. 2).
Хромосомная теория наследственности. Хромосомная теория наследственности была
разработана Т. Морганом с сотрудниками в начале 20 в. и нашла подтверждение при изучении
генетических механизмов определения пола у животных.
Пол — это совокупность морфологических и физиологических признаков организма,
обеспечивающих его половое размножение и передачу наследственной информации за счет
образования гамет. Особи мужского и женского пола различаются хромосомным набором в
гаметах. Например, у самок некоторых видов (дрозофила, человек) все хромосомы парные, а у
самцов — две непарные, причем одна из них такая же, как и у самки. Хромосомы, по которым
различаются особи мужского и женского пола, получили название половых хромосом: парная
хромосома обозначается буквой X, непарная — буквой У. Хромосомы, по которым мужской и
женский пол не различаются, называются аутосомами (А). Например, у человека из 23 пар
хромосом 22 пары являются аутосомами и лишь 1 пара — половыми хромосомами.
Хромосомный набор женщины можно записать так: 44А+ХХ, мужчины — 44А+ХУ. У
дрозофилы хромосомный набор самки составляет 6А+ХХ, у самца — 6А+ХУ.
На основании полученных результатов Морган сформулировал следующее правило: гены,
локализованные в одной хромосоме, наследуются сцеплено, причем сила сцепления зависит от
расстояния между ними.
В целом в хромосомной теории наследственности можно выделить следующие
положения:
− гены находятся в хромосомах, каждая из которых представляет группу их сцепления;
число групп сцепления у каждого вида организмов равно гаплоидному числу хромосом;
− в хромосоме каждый ген занимает определенное место (локус), и все гены в хромосомах
расположены линейно;
− между гомологичными хромосомами происходит перекрест (кроссинговер) и обмен
аллельными генами;
− расстояние между генами в хромосоме пропорционально частоте перекреста и
выражается в процентах кроссинговера между ними.
Закономерности изменчивости. Различают два типа изменчивости: фенотипическую
(ненаследственную) и генотипическую (наследственную).
Фенотипическая, или модификационная, изменчивость представляет собой изменения
признаков организма (его фенотипа), не связанные с изменением генотипа. Яркий пример –
пшеничное поле, которое, с одной стороны, поражает однотипностью, а с другой —
отсутствием одинаковых особей.
14
Генотипическая изменчивость подразделяется на мутационную и комбинативную.
Мутационная изменчивость — это такая изменчивость, при которой происходят
скачкообразные, прерывистые изменения наследственного признака (мутации). Иными
словами, мутации — это внезапно возникающие стойкие изменения генетического аппарата,
включающие переход генов из одного аллельного состояния в другое, изменение их структуры,
различные изменения структуры хромосом, их числа в кариотипе, а также генетических
структур цитоплазмы.
Генеративные мутации возникают в половых клетках. Если генеративная мутация
доминантна, то у организмов новый признак (свойство) проявляется в первом поколении даже в
гетерозиготном состоянии. Рецессивная мутация проявляется через несколько поколений при
переходе ее в гомозиготное состояние. Примером рецессивной генеративной мутации может
служить наличие гемофилии в отдельных семьях.
Соматические мутации возникают в генотипе клеток тела (соматических клеток) и
обнаруживаются в той его части, которая развилась из измененных клеток. Для видов,
размножающихся половым путем, данные мутации не имеют принципиального значения, но
важны для видов, размножающихся бесполым путем.
Спонтанные мутации встречаются в природе в естественных условиях без направленного
вмешательства человека. У одних видов они происходят чаще, у других — реже.
Н.И. Вавилов (1887—1943) в результате изучения спонтанных мутаций у растений
различных систематических групп сформулировал закон гомологических рядов в
наследственной изменчивости, который гласит: «Виды и роды, генетически близкие,
характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью,
что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных
форм у других видов и родов». В качестве примеров, подтверждающих этот закон, можно
назвать случаи альбинизма в ряду позвоночных; группы крови, резус-фактор у приматов и
человека и т.д.
Индуцированные мутации происходят в генотипе особи под влиянием специальных
направленных факторов среды, получивших название мутагенных факторов или мутагенов.
Генные мутации обусловлены изменением структуры самого гена — выпадением,
добавлением или перестановкой пары нуклеотидов в молекуле ДНК.
Хромосомные мутации обусловлены изменением структуры или числа хромосом в
кариотипе особи. Структура хромосомы может измениться вследствие нарушения
кроссинговера в мейозе, что выражается утерей части (фрагмента) хромосомы, удвоением или
умножением того или иного ее фрагмента либо изменением линейного расположения
фрагментов хромосомы в результате их поворота на 180°.
Комбинативная изменчивость обусловливается разнообразием генотипов и обеспечивает
появление новых комбинаций признаков в результате скрещивания. Она наследуется в
соответствии с законами Г. Менделя и правилом Т. Моргана. Играет большую роль в эволюции,
так как дает новые сочетания приспособительных признаков, возникающих при скрещивании.
Комбинативная изменчивость используется в селекции для улучшения пород животных, сортов
растений путем скрещивания.
Тема 7. Основы селекции
Селекция — наука о методах создания новых и улучшения существующих сортов
культурных растений, пород домашних животных и штаммов микроорганизмов, используемых
человеком.
Породой, сортом, штаммом называют популяцию организмов, искусственно созданную
человеком и имеющую определенные наследственные особенности. Все особи внутри породы,
сорта или штамма имеют сходные, наследственно закрепленные свойства, а также однотипную
реакцию на факторы внешней среды. Например, куры породы Леггорн имеют небольшую
массу, но высокую яйценоскость. Штаммы микроорганизмов способны обеспечить
15
определенный уровень синтеза витаминов, аминокислот. Для их культивирования необходимы
конкретные требования к составу питательной среды и температуре.
Задачи современной селекции — повышение продуктивности сортов растений, пород
домашних животных, штаммов микроорганизмов.
Н.И. Вавилов и его последователи в результате изучения мировых растительных ресурсов
выделили семь центров происхождения важнейших культурных растений:
− южно-азиатский — родина риса, сахарного тростника, банана, кокосовой пальмы,
цитрусовых;
− восточно-азиатский — родина проса, гречихи, груши, яблони, сливы, ряда цитрусовых,
корнеплодов;
− юго-западно-азиатский — родина мягкой и карликовой пшеницы, гороха, чечевицы,
конских бобов, хлопчатника, винограда, тыквенных;
− средиземноморский — родина маслин, свеклы, капусты и др.;
− абиссинский — родина пшеницы, ячменя, кофейного дерева, сорго, арбуза;
− центральноамериканский — родина кукурузы, фасоли, тыквы, перца, какао,
американского хлопчатника;
− южноамериканский (андийский) — родина картофеля, табака, ананаса, арахиса.
Подобные центры происхождения выявлены и для домашних животных.
Основными методами селекции считают гибридизацию, отбор и гетерозис.
Гибридизация — это скрещивание генетически разнородных организмов.
Если при скрещивании в качестве исходных форм используются братья и сестры или
родители и их потомство, то такая гибридизация называется близкородственной (инбридинг).
Если же скрещиваются особи одной породы или разных пород (сортов), то гибридизация
называется не родственной (аутбридинг).
Отбор заключается в сохранении человеком для разведения растений или животных с
желаемым признаком Он бывает массовым и индивидуальным.
Массовый отбор направлен на выделение группы особей с одинаковым фенотипом, но
дающих расщепление при размножении, в связи с чем его повторяют в ряду поколений.
Массовый отбор трудно осуществить, если признак проявляется; только у представителей
одного пола.
Индивидуальный отбор проводят для выделения форм с нужными признаками и для
раздельного выращивания каждой особи. В данном случае желаемый результат достигается
быстрее, чем при массовом отборе. Путем индивидуального отбора создают сорта (породы),
представляющие одну или несколько чистых линий (у растений — потомство одной
самоопыляемой особи; у животных — потомство одной пары, полученное за счет
инбридинга).
Гетерозис наблюдается при гибридизации неродственных форм некоторых видов или
сортов в виде повышения у гибридов первого поколения жизнеспособности, роста и других
качеств.
Потомство, полученное от одной самоопыляемой особи, называется чистой линией.
При скрещивании чистых линий между собой (межлинейная гибридизация) наблюдается в
первом поколении эффект гетерозиса. Межлинейная гибридизация позволяет повысить на 20—
30 % урожай семян кукурузы, сахарной свеклы, ряда овощных культур (лук, огурцы, помидоры,
баклажаны, сорго).
Селекция животных. Селекцией домашних животных люди занимаются с глубокой
древности. Для этой цели использовались дикие по интересующим признакам. Первоначально
этот отбор носил стихийный характер, но затем его стали проводить методически. Так со
временем были сформированы местные породы животных.
При помощи близкородственного скрещивания закрепляют рецессивные хозяйственно
ценные признаки, поскольку при нем рецессивные мутации, находящиеся в скрытом
гетерозиготном состоянии, переводятся в гомозиготное. Однако это часто приводит к
снижению жизнеспособности, появлению уродств и т. д.
16
Неродственное скрещивание применяют для объединения в одном гибридном организме
ценных признаков разных пород с целью создать новую породу. Так, чтобы повысить живую
массу кур породы Леггорн, их скрещивают с породой Плимутрок, преимуществом которой
является большая живая масса.
Путем
межпородного
скрещивания
М.Ф.
Иванов
(1871—1935)
создал
высокопродуктивные породы (степная белая украинская порода свиней, асканийская
тонкорунная порода овец).
Отдаленная гибридизация животных применялась в основном на раннем этапе их
одомашнивания. В настоящее время к ней прибегают редко, поскольку среди отдельных
получаемых таким образом гибридов часто один пол бывает стерильным.
Гетерозис в селекции животных широко используется для получения скороспелых
свиней, повышения продуктивности крупного рогатого скота и для других хозяйственных
целей. Так, при скрещивании самки лошади с самцом ослом получается высокогетерозиготный
гибрид мул — выносливое и сильное животное. Закрепить гетерозис у животных невозможно,
поэтому практикуют постоянное скрещивание гибридов попеременно с одной и с другой
исходной формой.
Тема 8. Общий обзор организма человека. Концепции физиологии
человека
Структурной единицей организма человека как любого живого существа является клетка.
В основе жизнедеятельности человеческого организма лежат такие важные функции клеток, как
обмен веществ, рост, развитие, движение, раздражимость, размножение.
Клетки, сходные по строению, имеющие общее происхождение и выполняющие
одинаковые функции, объединяются в ткани. По выполняемой функции ткани подразделяют на
4 группы: эпителиальные, соединительные, мышечные и нервные.
Эпителиальные ткани образуют наружные покровы тела и выстилают многие полости
внутренних органов. В них клетки плотно прилегают друг к другу, поэтому межклеточного
вещества очень мало. Часто клетки эпителиальной ткани располагаются многочисленными
слоями, надежно защищая расположенные под ними органы.
Соединительные ткани образованы рыхло расположенными клетками, между которыми
находится межклеточное вещество различного строения. Так, в костной ткани оно имеет вид
пластинок, состоящих из аморфного вещества, образованного белком оссеином, и волокон из
белка коллагена. Между волокнами располагаются кристаллы минеральных солей
(преимущественно соли кальция). Они придают костной ткани особую прочность.
Клетки хрящевой ткани заключены в овальные капсулы и лежат среди плотного
однородного межклеточного вещества, включающего коллагеновые волокна. Волокнистая
соединительная ткань состоит из рыхло или плотно расположенных клеток и межклеточного
вещества, которое образовано волокнами из белка эластина.
Клетки жировой ткани содержат запасы жира. Особым видом соединительной ткани
является кровь, межклеточным веществом которой служит плазма, а клеточными
компонентами – эритроциты, лейкоциты и тромбоциты.
Мышечные ткани составляют основную массу мышц и обеспечивают их сократительную
функцию. Различают поперечно-полосатые скелетные, поперечно-полосатые сердечные и
гладкие мышцы. Поперечно-полосатые скелетные мышцы представляют собой скелетную
мускулатуру. Гладкие мышцы являются мускулатурой внутренних органов (стенки сосудов,
кишечника, бронхов, мочевого пузыря, мочеточников и т.д.). Они представлены
веретенообразными клетками, в цитоплазме которых имеются палочковидное ядро и
миофибрилы, состоящие из нитей сократительных белков – актина и миозина. Гладкие мышцы
сокращаются произвольно, однако скорость и сила их сокращения меньше, чем у скелетных
мышц.
Нервная ткань образована особыми клеткам – нейронами и расположенными между ними
клетками соединительной ткани (нейроглия), выполняющими питательную, опорную и
17
защитную функцию. Нейрон состоит из тела и цитоплазматических отростков. В цитоплазме
тела нейрона находится ядро с ядрышком. Отростки бывают двух видов: дендриты (короткие,
древовидно ветвящиеся, обеспечивающие восприятие раздражения и передачу возбуждения в
тело нейрона) и аксоны (длинные, мало ветвящиеся, проводящие возбуждение от тела нейрона).
Тела нейронов расположены главным образом в спинном и головном мозге, т.е. в центральной
нервной системе, и образуют серое вещество. Длинные отростки нейронов остаются в
центральной нервной системе и образуют белое вещество. Аксоны, покрытые особыми
оболочками, образуют нервные волокна. Одни из них с помощью периферических окончаний
— рецепторов — воспринимают раздражение и называются чувствительными
(центростремительными) волокнами; другие при помощи окончаний передают возбуждение на
рабочие органы и называются двигательными (центробежными) волокнами. Места, где
происходит передача нервного импульса с одного нейрона на другой или на соответствующий
орган, называются синапсами.
Нервные волокна, выходящие за пределы спинного и головного мозга, при помощи
соединительной ткани собираются в пучки — нервы, дающие многочисленные ответвления ко
всем органам.
Основные свойства нервной ткани: возбудимость (способность воспринимать
раздражения) и проводимость (способность проводить возбуждение).
Все ткани тесно взаимосвязаны и образуют органы — обособленные части организма,
имеющие определенное строение и функции.
Каждый орган состоит из нескольких видов тканей, одна из которых преобладает.
Например, печень образована в основном эпителиальной тканью, хотя в ней имеются
соединительная, мышечная и нервная ткани. Органы, обеспечивающие выполнение
определенных функций, объединяются в системы органов. Так, пищеварительная система
образована ротовой полостью с языком и зубами, глоткой, пищеводом, желудком, кишечником,
а также пищеварительными железами (слюнными, поджелудочной и др.).
Кроме пищеварительной, в организме человека имеются опорно-двигательная,
дыхательная, кровеносная, нервная, выделительная, половая системы.
Опорно-двигательный аппарат объединяет скелет и поперечно-полосатые скелетные
мышцы и представляет одну из важнейших систем человеческого организма. Он выполняет
опорную и защитную функции и играет решающую роль в движении.
Специализированные органы для газообмена между организмом и внешней средой
образуют систему органов дыхания, которая у человека представлена легкими,
расположенными в грудной полости, и воздухоносными путями: носовой полостью,
носоглоткой, гортанью, трахеей, бронхами.
Система органов кровообращения включает сердце и кровеносные сосуды (артерии,
капилляры, вены), пронизывающие все органы тела человека; обеспечивает обмен веществ
между организмом и внешней средой.
Функцию удаления продуктов распада выполняют почки, а также легкие, кишечник,
потовые железы, составляющие систему выделения организма.
Через легкие из организма удаляются углекислый газ, вода, некоторые летучие вещества
(алкоголь и др.). Кишечник выделяет не усвоенные остатки принятой пищи, соли кальция,
желчные пигменты, частично воду и некоторые другие вещества. Потовые железы удаляют 510% всех конечных продуктов обмена (вода, соль, некоторые аминокислоты, мочевина, мочевая
кислота и др.).
Человеку, как и всем живым организмам, присуща способность самовоспроизведения, т.е.
сохранения и продолжения своего вида, что обеспечивается функционированием половой
системы – мужской и женской. Мужская половая система представлена двумя семенниками,
придаточными половыми железами, семенными пузырьками, предстательной железой,
семявыносящими протоками и половым членом. Женская половая система образована двумя
яичниками, маточными трубами, маткой и влагалищем, которые располагаются в полости таза.
Следует отметить, что целостность организма обеспечивается двумя механизмами
регуляции — нервным и гуморальным.
18
Нервная регуляция осуществляется центральной и периферической нервной системой.
Гуморальная регуляция обеспечивается кровью, тканевой жидкостью и лимфой, в которой
содержатся различные биологически активные вещества — гормоны и витамины. Биологически
активные вещества (гормоны) вырабатываются железами внутренней секреции и поступают в
кровь, с помощью которой и доставляются к органам-мишеням.
Совокупность желез внутренней секреции (гипофиз, эпифиз, щитовидная железа,
вилочковая железа, надпочечники) составляют эндокринную систему человека.
Поджелудочная железа и половые являются железами смешанной секреции. Выделяя в
кровь гормоны, они также участвуют в гуморальной регуляции деятельности органов.
Высшая нервная деятельность. Термин «высшая нервная деятельность» введен в науку
И.П. Павловым, считавшим его равнозначным понятию «психическая деятельность». По
И.П.Павлову, в основе высшей нервной деятельности лежат безусловные и условные рефлексы.
И.П. Павлов учитывал, что все явления высшей нервной деятельности нельзя объяснить
образованием условных рефлексов. Животным с развитой нервной системой свойственно
улавливание связей между предметами и явлениями окружающей среды и использование
установленных закономерностей в новых условиях. Такая способность животных была названа
рассудочной деятельностью.
Высшего развития рассудочная деятельность достигает у человека и проявляется в виде
мышления. С мышлением связана речь. Словом человек обозначает все, что воспринимает с
помощью органов чувств. Словом он обобщает предметы и явления, имеющие общие признаки
(словом «дерево» обобщает такие предметы, как «береза», «сосна», липа». Слова «береза»,
«липа», «сосна» тоже являются обобщающими).
Человек мыслит понятиями. Устная и письменная речь является аппаратом абстрактного
(отвлеченного от конкретных единичных предметов и явлений) мышления. С помощью
устной и письменной речи человек передает свой накопленный жизненный опыт, знакомится с
опытом других и не только ныне живущих людей, но и людей многих живших поколений.
Речь, ее функции связаны с корой головного мозга: формирование и развитие устной речи
связаны с лобной долей левого полушария, письменной — с височными и теменными долями.
Нарушение функций соответствующих долей коры головного мозга (вследствие заболевания,
ранения) ведет к потере рассудка, мышления. Кора головного мозга — материальная основа
мышления.
Тема 9. Здоровье
Современное естествознание рассматривает человека как целостный природный и
социокультурный феномен. Здоровье человека во многом связано с эволюционноэкологическими основаниями его психофизической деятельности. Исследования показали, что
в современной популяции людей формируются и новые варианты гено- и фенотипов человека,
которые наиболее адекватно отвечают современным психо-физиологическим, социальным
потребностям жизни, что обусловлено изменениями ритма жизни, урбанизацией,
современными биосферно-ноосферно экологическими изменениями.
Важнейшие функции популяционного здоровья:
− Функция 1 — конкретный живой труд, или совокупность психофизических затрат в ходе
производственной деятельности, которые совершаются работающими индивидами внутри
данной популяции.
− Функция 2 — социально-биологическое воспроизводство последующих поколений, с
которыми связано существование института семьи.
− Функция 3 — воспитание и обучение последующих поколений, усвоение ими
совокупности умений, навыков и знаний, необходимых для успешной социальнопроизводственной, творческой деятельности, для полноценного воспроизводства следующих
поколений людей.
В 1947 г. Всемирная Организация Здравоохранения, основанная по инициативе ООН,
предложила краткую формулировку термина «здоровье».
19
Здоровье — это состояние полного физического, умственного и социального
благосостояния.
Правильный образ жизни И.И. Мечников назвал ортобиозом («орто» – прямой,
правильный, «био» – связанный с жизнью) и предложил восемь важных условий его:
− Труд – являющийся важнейшим условием физиологического благополучия. Органытунеядцы быстро чахнут.
− Нормальный сон – сон в ночное время суток продолжительностью 8-10 часов (режим
сна) при отсутствии раздражителей.
− «Служба доброго настроения», или положительные эмоции, – их обеспечивают
доброжелательное отношение к другим людям, юмор, оптимизм.
− Рациональное питание – рациональным оно должно быть по качеству, по количеству и
по режиму.
− Избегать алкоголя и никотина.
Соблюдение режима – выполнение определенной деятельности организма в определенное
время, что приводит к образованию в мозгу условных рефлексов на время.
Закаливание организма – под закаливанием понимают процесс приспособления организма
к неблагоприятным внешним воздействиям, главным образом к холодовому фактору, причем
приспособление это достигается путем использования естественных сил природы – солнечных
лучей, воздуха, воды.
Физические упражнения – достаточный объем двигательной активности.
Работоспособность. С физиологической точки зрения, работоспособность определяет
возможности организма при выполнении работы к поддержанию структуры и энергозапасов на
заданном уровне. В соответствии с двумя основными типами работ выделяют физическую и
умственную работоспособность. Работоспособность обусловлена возрастным состоянием
человека. Установлено, что в 18-20 лет у человека наблюдается самая высокая интенсивность
интеллектуальных и логических процессов. К 30 годам она снижается на 4%, к 40 – на 13%, к
50 – на 20, а в возрасте 60 лет – на 25%.
Одно из наиболее емких определений состояния утомления дали советские ученые В.П.
Загрядских и А.С. Егоров:
«Утомление – возникающее вследствие работы временное ухудшение функционального
состояния организма человека, выражающееся в снижении работоспособности, в
неспецифических изменениях физиологических функций и в ряде субъективных ощущений,
объединяемых чувством усталости».
Различают физиологическое и психическое утомление. Первое из них выражает, прежде
всего, воздействие на нервную систему продуктов разложения, освобождающихся в результате
двигательно-мускульной деятельности, а второе – состояние перегруженности самой
центральной нервной системы. Как показывают исследования, явления утомления в утренней
смене интенсивнее всего наблюдаются на четвертом – пятом часу работы.
ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ПО БИОЛОГИИ
Лабораторная работа №1
Тема: Уровни организации живой природы
Оборудование:
− микроскоп, микропрепараты: «Растительная клетка», «Животная клетка»;
− таблицы: «Генетический код», «ДНК», «Строение растительной клетки», «Строение
животной клетки».
− учебники: Вахненко Д.В., Гарнизоненко Т.С., Колесников С.С. Биология с основами
экологии: Учебник для вузов. – М., 2007. – 515 с.; Пехов А.П. Биология с основами экологии:
Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2007. – 688 с.; Лысов П.К., Акифьев А.П., Добротина Н.А.
Биология с основами экологии: Учебник для студентов естественнонаучных, технических и
гуманитарных направлений и специальностей ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2009. – 655 с.
20
Выполнение работы:
1. Ознакомиться с уровнями организации живой природы: молекулярно-генетическим,
клеточным, организменным, популяционно-видовым, биоценотическим, биогеоценотическим
(экосистемным), биосферным, используя материал лекций и учебников.
2. Зарисовать макромолекулы ДНК и РНК, отметив особенности их строения; заполнить
таблицу 1.
Таблица 1. Особенности строения и состава нуклеиновых кислот.
Название
нуклеиновой
кислоты
Количество
полинуклеотидных
цепей
Азотистые
основания
Состав нуклеотидов
Углевод
Фосфат
3. Рассмотреть под микроскопом растительную и животные клетки; зарисовать; заполнить
таблицу №2.
Таблица 2. Морфофункциональные особенности структурных компонентов клетки
Название
структурных
компонентов
клетки
Данные
электронной
микроскопии
(рисунок)
Функции
Наличие
в
в
растительной
животной
клетке
клетке
Лабораторная работа №2
Тема: Биоразнообразие. Основы систематики
Оборудование:
− таблицы: «Вирусы и бактериофаги», «Схема строения клетки (бактериальной, синезеленой водоросли)», «Строение растительной и животной клетки», «Шляпочные грибы«»,
«Плесневые грибы, дрожжи».
− учебники: Вахненко Д.В., Гарнизоненко Т.С., Колесников С.С. Биология с основами
экологии: Учебник для вузов. – М., 2007. – 515 с.; Пехов А.П. Биология с основами экологии:
Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2007. – 688 с.; Лысов П.К., Акифьев А.П., Добротина Н.А.
Биология с основами экологии: Учебник для студентов естественнонаучных, технических и
гуманитарных направлений и специальностей ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2009. – 655 с.
Выполнение работы:
1. Изучить по материалу лекций и учебника биоразнообразие, используя основные
положения современной систематики. Заполнить таблицу. Сделать вывод об особенностях их
организации.
Клеточные формы жизни
Прокариоты
Эукариоты
Доклеточные формы
жизни
Группа организмов
Особенности
строения (рисунок)
Лабораторная работа №3
Тема: Размножение и индивидуальное развитие организмов.
Жизненный цикл клетки
Оборудование:
− таблицы: «Митоз», «Мейоз», «Эмбриональное развитие хордовых
на примере ланцетника».
21
− учебники: Вахненко Д.В., Гарнизоненко Т.С., Колесников С.С. Биология с основами
экологии: Учебник для вузов. – М., 2007. – 515 с.; Пехов А.П. Биология с основами экологии:
Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2007. – 688 с.; Лысов П.К., Акифьев А.П., Добротина Н.А.
Биология с основами экологии: Учебник для студентов естественнонаучных, технических и
гуманитарных направлений и специальностей ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2009. – 655 с.
Выполнение работы:
1. Используя материал лекций изучить способы размножения организмов (бесполое,
вегетативное, половое), отметить их особенности.
2. Изучить способы деления клеток: митоз, амитоз, мейоз. Зарисовать в таблицу
схемы митоза, мейоза. Отметить отличия.
Фазы
Профаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
Профаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
Схема митоза (рисунки)
Схема мейоза (рисунки)
I деление (редукционное)
II деление (эквационное)
3. Ответить на вопросы:
1. Какие существуют типы деления клеток?
2. Чем отличается амитоз от других типов деления клеток и для каких организмов он
характерен?
3. Что такое митоз? В чем его биологический смысл?
4. Какие процессы происходят в ядре в интерфазе?
5. Почему к началу митоза хромосомы состоят из двух хроматид?
6. Какие изменения происходят в профазе митоза в ядре?
7. К какому участку хромосомы присоединяется нить веретена деления?
8. Что характерно для метафазы митоза?
9. Какие хромосомы расходятся к полюсам клетки в анафазе?
10. Почему телофазу называют «профазой наоборот»?
11. Сколько клеток образуется в результате митоза и с каким набором хромосом?
12. Для каких клеток характерен мейоз?
13. Какие хромосомы называют гомологичными?
14. Сколько клеток получается в результате мейоза I и с каким набором хромосом в
каждой?
15. Происходит ли синтез ДНК и удвоение хроматид после мейоза I?
16. Что характерно для профазы I?
17. Что такое конъюгация хромосом, когда она происходит и
каково её значение?
18. Сколько хроматид участвуют в перекресте?
19. Какие хромосомы расходятся к полюсам в анафазе II?
20. Сколько клеток получается в результате мейоза?
21. Каким становится набор хромосом в каждой клетке, образовавшейся при мейозе, и
сколько хроматид в каждой хромосоме?
22. Какова сущность мейоза I и мейоза II?
23. В чем отличие митоза от мейоза?
4. Изучить и зарисовать этапы онтогенеза лацентника.
5. Выполнить контрольную работу.
Контрольная работа
1. Какой набор хромосом характерен для зиготы (n, 2n, 3n)?
22
2. Какой набор хромосом свойственен бластомерам (n, 2n, 3n)?
3. Какой вид деления клеток происходит при дроблении (митоз, мейоз, амитоз)?
4. На какой фазе развития зародыша начинается митоз с последующим ростом клеток
(зигота, бластула, гаструла)?
5. Почему стадия двухслойного зародыша называется гаструлой (похожа на желудок,
имеет кишечную полость, имеет желудок)?
6. С развитием какого зародышевого листка связано появление вторичной полости рта
(эктодерма, мезодерма, энтодерма)?
7. С появлением, какого зародышевого листка начинается развитие тканей и систем
органов (эктодерма, энтодерма, мезодерма)?
8. За счет какого зародышевого листка образуется хорда (эктодерма, мезодерма,
энтодерма)?
9. За счет, какого зародышевого листка формируется спинной мозг (эктодерма, мезодерма,
энтодерма)?
Лабораторная работа №4
Тема: Обмен веществ и энергии клетки
Оборудование:
− таблицы: «Фотосинтез», «Биосинтез белка», «Энергетический обмен углеводов».
− учебники: Вахненко Д.В., Гарнизоненко Т.С., Колесников С.С. Биология с основами
экологии: Учебник для вузов. – М., 2007. – 515 с.; Пехов А.П. Биология с основами экологии:
Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2007. – 688 с.; Лысов П.К., Акифьев А.П., Добротина Н.А.
Биология с основами экологии: Учебник для студентов естественнонаучных, технических и
гуманитарных направлений и специальностей ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2009. – 655 с.
Выполнение работы
Используя таблицы и лекционный материал изучить:
1. Схему превращения веществ и энергии в процессе диссимиляции, зарисовать.
2. Изучить схему фотосинтеза, зарисовать.
3. Изучить схему биосинтеза белка, зарисовать.
Контрольная работа
1. Почему ассимиляция называется пластическим обменом (создаются органические
вещества. Расщепляются органические вещества)?
2. Почему диссимиляция называется энергетическим обменом (поглощается энергия,
выделяется энергия)?
3. Что включают в себя процесс ассимиляции (синтез органических веществ с
поглощением энергии, распад органических веществ с выделением энергии); процесс
диссимиляции (синтез органических веществ с поглощением энергии, распад органических
веществ с выделением энергии)?
4. Какие процессы, происходящие в клетке, относятся к ассимиляционным (синтез белка,
фотосинтез, синтез липидов, синтез АТФ, дыхание)?
5. Чем отличается окисление органических веществ в митохондриях от горения этих
веществ (выделение теплоты, выделение теплоты и АТФ, синтез АТФ; процесс окисления
происходит с участием ферментов, без участия ферментов)?
6. Что общего между окислением, происходящим в митохондриях клеток, и горением
(образование СО2 и Н2О; выделение теплоты; синтез АТФ)?
7. На каком этапе диссимиляции полимеры расщепляются до мономеров (I, II, III)?
8. Что происходит с глюкозой на II этапе диссимиляции (гликолиз с образованием
молочной кислоты; окисление до СО2 и Н2О)?
9. Какой этап диссимиляции называют кислородным (I, II, III) и почему (в процессе
реакции к промежуточным продуктам присоединяется кислород; в процессе реакции
выделяется кислород)?
23
10. На каком этапе диссимиляции углеводов синтезируются 2 АТФ (I, II, III); 36 АТФ (I, II,
III); АТФ не синтезируется (I, II, III)?
11. В каких органеллах клетки осуществляется процесс фотосинтеза (митохондрии,
рибосомы, хлоропласты, хромопласты)?
12. Где сосредоточен пигмент хлорофилл (оболочка хлоропласта, строма, граны)?
13. Какие лучи спектра поглощают хлорофилл (красные, зеленые, фиолетовые)?
14. При расщеплении какого соединения выделяется свободный кислород при фотосинтезе
(СО2, Н2О, АТФ)?
15. В какую стадию фотосинтеза образуется свободный кислород (темновую, световую,
постоянно)?
16. Что происходит с АТФ в световую стадию (синтез, расщепление)?
17. На какой стадии в хлоропласте образуется первичный углевод (световая стадия,
темновая стадия)?
18. Расщепляется ли молекула СО2 при синтезе углеводов (да, нет)?
19. Какую роль играют ферменты при фотосинтезе (нейтрализуют, катализируют,
расщепляют)?
20. Какие компоненты клетки непосредственно участвуют в босинтезе белка ( рибосомы,
ядрышко, ядерная оболочка, хромосомы)?
21. Какова функция ДНК в синтезе белка (самоудвоение, транскрипция, синтез тРНК и
рРНК)?
22. Чему соответствует информация одного гена молекулы ДНК (белок, аминокислоты,
ген)?
23. Какая структура ядра содержит информацию о синтезе одного белка (молекула ДНК,
триплет нуклеотидов, ген)?
24. Какие компоненты составляют тело рибосомы (мембраны, белки, углеводы, РНК,
жиры)?
25. Чему соответствует триплет иРНК (аминокислота, белок)?
26. Сколько аминокислот участвуют в биосинтезе белков (100, 30, 20)?
27. Что образуется в рибосоме в процессе биосинтеза белка (белок третичной структуры,
белок вторичной структуры, полипептидная цепь)?
28. Где формируются сложные структуры молекулы белка (рибосома, матрикс
цитоплазмы, каналы эндоплазматической сети)?
Лабораторная работа №5
Тема: Основные закономерности наследственности
Оборудование:
− таблицы: «Моногибридное скрещивание», «Дигибридное скрещивание», «Хромосомный
механизм определения пола».
− учебники: Вахненко Д.В., Гарнизоненко Т.С., Колесников С.С. Биология с основами
экологии: Учебник для вузов. – М., 2007. – 515 с.; Пехов А.П. Биология с основами экологии:
Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2007. – 688 с.; Лысов П.К., Акифьев А.П., Добротина Н.А.
Биология с основами экологии: Учебник для студентов естественнонаучных, технических и
гуманитарных направлений и специальностей ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2009. – 655 с.
Выполнение работы
1. Изучить буквенную символику по Г. Менделю, основные термины и понятия.
Буквенная символика по Г. Менделю
Р – перента – родители. Родительские организмы, взятые для скрещивания, отличающиеся
наследственными зачатками.
F – филие – дети. Гибридное потомство.
А – доминантный признак желтой окраски семян гороха.
а – рецессивный признак зеленой окраски семян гороха.
24
В – доминантный признак гладкой поверхности семян гороха.
b – рецессивный признак морщинистой поверхности семян гороха.
Аа – аллельные гены окраски.
Bb – аллельные гены поверхности
АА – доминантная гомозигота
аа – рецессивная гомозигота.
Аа – гетерозигота при моногибридном скрещивании.
АаВb – гетерозигота при дигибридном скрещивании.
Основные термины и понятия
Генетика (от греч. «генезис» — происхождение) — наука о закономерностях
наследственности и изменчивости организмов.
Ген (от греч. «генос» — рождение) — участок молекулы ДНК, отвечающий за один
признак, т.е. за структуру определенной молекулы белка.
Альтернативные признаки — взаимоисключающие, контрастные признаки (окраска семян
гороха желтая и зеленая).
Гомологичные хромосомы (от греч. «гомос» — одинаковый) — парные хромосомы,
одинаковые по форме, размерам, набору генов. В диплоидной клетке набор хромосом всегда
парный: одна хромосома из пары материнского происхождения, другая — отцовского.
Локус — участок хромосомы, в котором расположен ген.
Аллельные гены — гены, расположенные в одних и тех же локусах гомологичных
хромосом. Контролируют развитие альтернативных признаков (доминантных и рецессивных —
желтая и зеленая окраска семян гороха).
Генотип — совокупность наследственных признаков организма, полученных от
родителей,— наследственная программа развития.
Фенотип — совокупность признаков и свойств организма, проявляющаяся при
взаимодействии генотипа со средой обитания.
Зигота (от греч. «зиготе» — спаренная) — клетка, образующаяся при слиянии двух гамет
(половых клеток) — женской (яйцеклетки) и мужской (сперматозоида). Содержит диплоидный
(двойной) набор хромосом.
Гомозигота (от греч. «гомос» — одинаковый и зигота) — зигота, имеющая одинаковые
аллели данного гена (оба доминантные АА или оба рецессивные аа). Гомозиготная особь в
потомстве не дает расщепления.
Гетерозигота (от греч. «гетерос» — другой и зигота) — зигота, имеющая два разных
аллеля по данному гену (Аа, ВЬ). Гетерозиготная особь в потомстве дает расщепление по
данному признаку.
Доминантный признак (от лат. «доминас» — господствующий) — преобладающий
признак, проявляющийся в потомстве у гетерозиготных особей.
Рецессивный признак (от лат. «рецессус» — отступление) — признак, который передается
по наследству, но подавляется, не проявляясь у гетерозиготных потомков, полученных при
скрещивании.
Гамета (от греч. «гаметес» — супруг) — половая клетка растительного или животного
организма, несущая один ген из аллельной пары. Гаметы всегда несут гены в «чистом» виде,
так как образуются путем мейотического деления клеток и содержат одну из пары
гомологичных хромосом.
Цитоплазматическая наследственность — внеядерная наследственность, которая
осуществляется с помощью молекул ДНК, расположенных в пластидах и митохондриях.
Модификация (от лат. «модификацио» — видоизменение) — ненаследственное изменение
фенотипа, возникающее под влиянием факторов внешней среды в пределах нормы реакции
генотипа.
Модификационная изменчивость — изменчивость фенотипа. Реакция конкретного
генотипа на разные условия среды обитания.
25
Вариационный ряд — ряд модификационной изменчивости признака, слагающийся из
отдельных значений видоизменений, расположенных в порядке увеличения или уменьшения
количественного выражения признака (размеры листьев, число цветков в колосе, изменение
окраски шерсти).
Вариационная кривая — графическое выражение изменчивости признака, отражающее как
размах вариации, так и частоту встречаемости отдельных вариант.
Норма реакции — предел модификационной изменчивости признака, обусловленный
генотипом. Пластичные признаки обладают широкой нормой реакции, непластичные — узкой.
Мутация (от лат. «мутацио» — изменение, перемена) — наследственное изменение
генотипа. Мутации бывают: генные, хромосомные, генеративные (у гамет), внеядерные
(цитоплазматические) и т.д.
Мутагенный фактор — фактор, вызывающий мутацию. Существуют естественные
(природные) и искусственные (вызванные человеком) мутагенные факторы.
Моногибридное скрещивание — скрещивание форм, отличающихся друг от друга по одной
паре альтернативных признаков.
Дигибридное скрещивание — скрещивание форм, отличающихся друг от друга по двум
парам альтернативных признаков.
Анализирующее скрещивание — скрещивание испытуемого организма с другим,
являющимся по данному признаку рецессивной гомозиготой, что позволяет установить генотип
испытуемого. Применяется в селекции растений и животных.
Сцепленное наследование — совместное наследование генов, локализованных в одной
хромосоме; гены образуют группы сцепления.
Кроссинговер (перекрест) — взаимный обмен гомологичными участками гомологичных
хромосом при их конъюгации (в профазе I мейоза I), приводящий к перегруппировке исходных
комбинаций генов.
Пол организмов — совокупность морфологических и физиологических особенностей,
которые определяются в момент оплодотворения сперматозоидом яйцеклетки и зависят от
половых хромосом, которые несет сперматозоид.
Половые хромосомы — хромосомы, по которым мужской пол отличается от женского.
Половые хромосомы женского организма все одинаковы (XX) и определяют женский пол.
Половые хромосомы мужского организма разные (XУ): X определяет женский пол, У —
мужской пол. Вероятность получения мужского и женского пола одинакова.
Генетика популяций — раздел генетики, изучающий генотипический состав популяций.
Это позволяет рассчитывать частоту мутантных генов, вероятность встречаемости их в гомо- и
гетерозиготном состоянии, а также следить за накоплением в популяциях вредных и полезных
мутаций.
Мутации служат материалом для естественного и искусственного отбора.
Данный раздел генетики был основан С.С. Четвериковым и получил дальнейшее развитие
в трудах Н. П. Дубинина.
2. Повторить имеющийся по теме материал.
3. Проанализировать рис. 1, 2,3, заполнить решетку Пеннета.
4. Выполнить контрольную работу.
Контрольная работа
1. Сколько альтернативных признаков учитывается при моногибридном скрещивании
(один, два, три, четыре и более)?
2. Как называют признаки гибрида, проявляющиеся в первом поколении (дминантные,
рецессивные)?
3. Как называется зигота, из которой развиваются гибриды первого поколения
(гомозигота, гетерозигота)?
4. Какие гаметы образуются у гибридов первого поколения – гибридные или негибридные
(чистые)?
26
5. Какой способ опыления применял Г. Мендель для получения гибридов второго
поколения (перекрестное, самоопыление, искусственное опыление)?
6. Какие признаки являются парными (желтый и зеленый цвет, желтый цвет и гладкая
поверхность, гладкая и морщинистая поверхность)?
7. Где расположены гены парных признаков при дигибридном скрещивании (одна
хромосома, разные хромосомы)?
8. Где расположены аллельные гены (одна хромосома, разные хромосомы)?
9. Как распределяются аллельные гены при мейозе (оказываются в одной клетке,
оказываются в разных клетках)?
10. Как появляются в клетках гены парных признаков (складываются из родительских
гамет, переходят по наследству, объединяются случайно)?
11. При каком скрещивании последующее расщепление идет по формулам: а) 1:2:1, б) 1:3,
в) 1:8:3:3:1 г) 9:3:3:1; в каком случае расщепление идет по генотипу, а в каком – по фенотипу?
12. Какую информацию несет ген (синтез молекулы белка, образование организма,
образование органа)?
13. Где расположен ген (цитоплазма, ядерный сок, хромосома)?
14. В состав какой структуры входит ген (РНК, АТФ, ДНК, аминокислота)?
15. Сколько генов в хромосомах гибридного организма при моногибридном скрещивании
отвечают за один и тот же признак (один, два, три, более)?
16. Как называются гены, отвечающие за один и тот же признак (аллельные,
альтернативные)?
17. Какие признаки называют альтернативными (одинаковые, противоположные) и в
каких генах они закодированы (аллельные, неаллельные)?
18. Признаком генотипа или фенотипа будет появление потомства, аналогичного
родителям, например рождение у собаки щенят, образование у яблони яблок?
19. Что изменяется – генотип или фенотип, когда при переселении в горную местность
коровы становятся низкорослыми и малоудойными?
20. Что больше подвергается изменениям под влиянием условий внешней среды (генотип,
фенотип)?
21. Вследствие чего возникает полиплоидная клетка (модификация, генная мутация,
хромосомная мутация, нерасхождение хромосом)?
5. Изучить таблицу «Хромосомный механизм определения пола». Выполнить ее в
альбоме.
6. Проверить по словарю знания терминов.
Рис. 1. Единообразие гибридов I
поколения и расщепление гибридов II
поколения при моногибридном скрещивании.
27
Рис. 2. Единообразие гибридов I
поколения и расщепление гибридов II
поколения при дигибридном крещивании.
Рис. 3. Цитологические основы
дигибридного скрещивания.
Лабораторная работа №6
Тема: Закономерности изменчивости
Оборудование:
− таблица: «Виды изменчивости».
− учебники: Вахненко Д.В., Гарнизоненко Т.С., Колесников С.С. Биология с основами
экологии: Учебник для вузов. – М., 2007. – 515 с.; Пехов А.П. Биология с основами экологии:
Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2007. – 688 с.; Лысов П.К., Акифьев А.П., Добротина Н.А.
Биология с основами экологии: Учебник для студентов естественнонаучных, технических и
гуманитарных направлений и специальностей ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2009. – 655 с.
Выполнение работы:
1. Изучить основные термины и понятия по изучаемой теме (см. в лаб. работе №5).
2. Повторить имеющийся по данной теме материал.
3. Изучить таблицу 1 «Сравнительная характеристика форм изменчивости».
Таблица 1. Сравнительная характеристика форм изменчивости.
Характеристика
Объект изменения
Отбирающий
фактор
Наследование
признаков
Подверженность
изменениям
Модификационная
изменчивость
Фенотип в пределах нормы реакции
Мутационная
изменчивость
Генотип
Изменение условий окружающей среды
Изменение условий окружающей среды
Не наследуются
Наследуются
Не подвергаются
Подвергаются при хромосомной мутации
28
хромосом
Подверженность
изменениям
молекул ДНК
_
Подвергаются в случае генной мутации
Значение для особи
Повышает или понижает
жизнеспособность, продуктивность,
адаптацию
Значение для вида
Способствует выживанию
Полезные изменения приводят к победе в
борьбе за существование, вредные –
к гибели
Приводит к образованию новых
популяций, видов и т.д. в результате
дивергенции
Роль в эволюции
Форма
изменчивости
Подчиненность
закономерности
Приспособление организмов к условиям
среды
Материал для естественного отбора
Определенная (групповая)
Неопределенная (индивидуальная),
Статистическая закономерность
вариационных рядов
Закон гомологических рядов
наследственной изменчивости
4. Выполнить контрольную работу.
Контрольная работа
1. Что характерно для мутации (возникает при скрещивании, при кроссинговере,
возникает внезапно в ДНК или хромосомах)?
2. Признаки какой изменчивости передаются потомству (модификационной,
мутационной)?
3. Что подвергается изменениям при возникновении мутаций (генотип, фенотип)?
4. Наследуются признаки генотипа или фенотипа?
5. Для какой изменчивости характерны следующие признаки: возникают внезапно, могут
быть доминантными или рецессивными, полезными и вредными, наследуются, повторяются
(мутационная, модификационная)?
6. Где происходят мутации (в хромосомах, в молекулах ДНК, в одной паре нуклеотидов, в
нескольких нуклеотидах)?
7. В каком случае мутация проявляется фенотипически (в любом, в гомозиготном
организме, в гетерозиготном организме)?
8. Какова роль мутаций в эволюционном процессе (увеличение изменчивости,
приспособление к окружающей среде, самосовершенствование организма)?
9. От чего зависит фенотип (от генотипа, от окружающей среды, ни от чего не зависит)?
10. Чем определяется размах изменчивости признаков организма (окружающей средой,
генотипом)?
11. Признаки какой изменчивости выражаются в виде вариационной кривой (мутационная,
модификационная)?
12. Какие признаки обладают узкой нормой реакции (качественные, количественные)?
13. Какая форма естественного отбора в популяции приводит к образованию новых видов
(движущий, стабилизирующий), какая – к сохранению видовых признаков (движущий,
стабилизирующий)?
Лабораторная работа №7
Тема: Основы селекции
Оборудование:
− таблица: «Полиплоидия у растений».
− учебники: Вахненко Д.В., Гарнизоненко Т.С., Колесников С.С. Биология с основами
экологии: Учебник для вузов. – М., 2007. – 515 с.; Пехов А.П. Биология с основами экологии:
Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2007. – 688 с.; Лысов П.К., Акифьев А.П., Добротина Н.А.
Биология с основами экологии: Учебник для студентов естественнонаучных, технических и
гуманитарных направлений и специальностей ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2009. – 655 с.;
Богданова Т.Л., Солодова Е.А. Биология. Справочник школьника. – М., 2003.
29
Выполнение работы:
1. Изучить основные термины и понятия.
Исходный материал — линии, сорта, виды, роды культурных или диких растений или
животных, обладающих ценными хозяйственными качествами или экстерьером.
Гибридизация (от греч. «гибрис» — помесь) — естественное или искусственное
скрещивание особей, относящихся к различным линиям, сортам, породам, видам, родам
растений или животных.
Сорт — совокупность культурных растений одного вида, искусственно созданная
человеком и характеризующаяся: а) определенными наследственными особенностями, б)
наследственно закрепленной продуктивностью, в) структурными (морфологическими)
признаками.
Порода — совокупность домашних животных одного вида, искусственно созданная
человеком и характеризующаяся: а) определенными наследственными особенностями, б)
наследственно закрепленной продуктивностью, в) экстерьером.
Линия — потомство одной самоопыляющейся особи у растений, потомство от
близкородственного скрещивания у животных, имеющих большинство генов в гомозиготном
состоянии.
Инбридинг (инцухт) по-англ. «разведение в себе» — близкородственное скрещивание
сельскохозяйственных животных.
Инбредная депрессия — снижение жизнеспособности и продуктивности у животных и
растений, полученных путем инбридинга, вследствие перехода большинства генов в
гомозиготное состояние.
Гетерозис — мощное развитие гибридов, полученных при скрещивании инбредных
(чистых) линий, одна из которых гомозиготна по доминантным, другая — по рецессивным
генам.
Подвой — корнесобетвенное (укорененное) растение, на которое производится прививка.
Привой — черенок растения или почка, которые прививаются на корнесобственное
растение.
Полиплоидия — кратное увеличение диплоидного или гаплоидного набора хромосом,
вызванное мутацией.
Мутагенез (от лат. «мутацио» — перемена, изменение и греч. «генос» — образующий) —
метод в селекции высших растений и микроорганизмов, который позволяет искусственно
получать мутации с целью увеличения продуктивности.
Биотехнология — использование живых организмов и биологических процессов в
производстве. Биологическая очистка сточных вод, биологическая защита растений, а также
синтез в промышленных условиях кормовых белков, аминокислот, получение ранее
недоступных препаратов (гормон инсулин, ростовой гормон, интерферон), создание новых
сортов растений, пород животных, видов микроорганизмов и т.д. — это главные направления
новой отрасли биологической науки и производства.
Генная инженерия — прикладная наука, создающая новые комбинации генов в молекуле
ДНК. Возможность рассекать и сращивать молекулу ДНК позволила создать гибридную клетку
бактерии с генами человека, ответственными за синтез гормона инсулина и интерферона. Эта
разработка применяется в фармацевтической промышленности для получения лекарственных
препаратов.
2. Заполнить таблицу 1 «Основные методы селекции».
Таблица 1. Основные методы селекции.
Методы
Гибридизация:
а) неродственная
(аутбридинг)
б) близкородственная
(инбридинг)
Селекция животных
30
Селекция растений
Отбор
а) массовый
б) индивидуальный
Метод испытания
производителей по
потомству
Экспериментальное
получение полиплоидов
3. Заполнить таблицу 2 «Методы селекционной работы И.В. Мичурина».
Таблица 2. Методы селекционной работы И.В. Мичурина.
Методы
Биологически
отдаленная
гибридизация
а) межвидовая
Сущность
Примеры
б) межродовая
Географически отдаленная
гибридизация
Отбор
Метод Ментора
Метод посредника
Воздействие условиями
среды
Смешение пыльцы
4. Ответить на вопросы
1. Какая наука является теоретической основой селекции?
2. Какие задачи ставит перед собой селекция растений и животных?
3. Что такое сорт, порода, штамм?
4. Что такое гибридизация?
5. Чем отличается искусственный отбор от естественного?
6. Чем отличается индивидуальный отбор от массового и в каких случаях они
применяются?
7. Применяется ли массовой отбор при разведении животных?
8. Назовите полиплоидные культурные растения?
9. Какие цели ставил в своих опытах по селекции плодовых культур И.В. Мичурин
случаях они применяются?
10. Какие сорта плодовых растений вывел И.В. Мичурин?
11. Каким образом преодолевал И.В. Мичурин нескрещиваемость растений?
12. Каким образом И.В. Мичурин добивался усиления доминантности признаков у
гибридов?
13. Какую роль сыграли экспедиции, возглавляемые Н.И. Вавиловым, для селекции
растений?
14. Где расположены главнейшие центры видового многообразия культурных растений?
Лабораторная работа №8
Тема: Концепции физиологии человека
Выполнение работы:
1. Выполнить опыт «Определение времени наступления утомления при статической и
динамической работе».
31
Оборудование: мел и 3-5-килограммовые гантели (последние можно заменить любым
другим грузом, например портфелем), секундомер.
Проведение 1-го опыта. Преподаватель вызывает в качестве испытуемого одного
студента к доске, предлагает ему взять в руку груз и держать его в отведенной в сторону руке.
Поставить испытуемого надо близко к доске с таким расчетом, чтобы меловой линией отметить
уровень, на котором будет удерживаться груз. После того как приготовления окончены,
испытуемому надо по команде педагога отвести руку с грузом в сторону и закрыть глаза. Задача
опыта состоит в том, чтобы измерить, сколько секунд испытуемый может продержать груз в
руке, отведенной в сторону.
После окончания опыта время удержания груза записывают на доске, испытуемому дают
отдохнуть 5-10 мин, а затем приступают ко второму опыту.
Проведение 2-го опыта. Испытуемому предлагают той же рукой поднимать тот же груз
до меловой отметки и опускать его в удобном для него ритме. Студентам напоминают, что
испытуемый устал и что после полноценного отдыха он мог бы проделать большую работу. По
сигналу преподавателя включают секундомер, и испытуемый начинает работу. Однако
дожидаться предельного утомления не следует: как только испытуемый превысит на 10–15 с
результат, достигнутый при статической работе, опыт прекращают.
Сделать вывод:
2. Выполнить опыт «Изучение последствий перетяжки пальца».
Оборудование: мягкая нитка или аптечное резиновое кольцо.
Проведение опыта. Испытуемым предлагают на палец накрутить резиновое кольцо,
перегибая его несколько раз восьмеркой, или обмотать ниткой. Перетяжка должна быть не
очень тугой. Палец должен стать сине-багровым и плотным на ощупь. Если палец стал белый,
перетяжку надо несколько ослабить. После окончания опыта резинка снимается, а палец
массируется.
Цель опыта – показать зависимость образования тканевой жидкости от давления крови в
капиллярах и выяснить изменения.
Вопросы:
1. Почему палец сделался багровым?
2. Почему палец стал плотным?
3. Как снабжаются кислородом ткани, изолированные перетяжкой?
4. После снятия резинки, в какую сторону следует массировать палец?
3. Выполнить опыт «Изучение условий действия ферментов слюны».
Оборудование: накрахмаленные картофельным крахмалом бинты, спички, вата, йодная
вода, ножницы, блюдца.
Крахмальный бинт для опыта готовят так. Берут четверть ложки крахмала, разводят его в
небольшом количестве холодной воды и вливают в кипящую воду. Кипятить при помешивании
надо10-15 мин. После этого бинты помещают в крахмальную воду, вынимают, расправляют,
высушивают. Затем бинт разрезают на куски длинной по 10 см. Каждая рабочая группа
получает по 4 куска бинта, вату (лучше глазную стерильную в упаковке, которая вскрывается
перед опытом, но можно обычную), спички и блюдце с йодной водой.
Проведение опыта. Испытуемый наматывает ватный тампон на спичку, смачивает его
слюной и пишет на куске бинта первую букву своей фамилии. Затем он зажимает бинт в руках
и выдерживает его в тепле около минуты. После он расправляет бинт и опускает в блюдце с
йодной водой. На синем фоне появляется белая буква. Для контроля берут другую спичку с
ватным тампоном, макают его в воду и то же самое проделывают с другим куском бинта. После
обработки этого куска йодной водой получается однотонное синее окрашивание.
Вопросы.
1. Почему, когда мы обработали накрахмаленный бинт слюной, появилась белая буква, а
когда нанесли воду, буквы не было?
2. Почему опыт не у всех получился одинаково хорошо?
32
4. Выполнить опыт «Определение времени задержки дыхания до и после нагрузки».
Оборудование: секундомер или часы с секундной стрелкой.
Перед опытом преподаватель предлагает записать следующую схему для оформления
результатов опыта.
Таблица 1. Сравнение максимальной продолжительности задержки дыхания
в состоянии покоя и после приседаний.
Максимальная
продолжительность задержки
дыхания
В состоянии покоя
После 10 приседаний
Время (с)
Процент от времени
задержки дыхания в
состоянии покоя
Проведение 1-го опыта. По команде преподавателя все студенты задерживают дыхание.
Через каждые 5 с. громко объявляется время с момента начала опыта, отмечая 5,10,15 и
последующее число секунд. После непроизвольного восстановления дыхания каждый студент
записывает первое из услышанных после этого чисел и проставляет результат в графу,
соответствующую времени максимальной задержки дыхания в состоянии покоя. После
выполнения первой части опыта испытуемым необходим отдых. Проведение 2-го опыта.
Испытуемым предлагается встать, выйти из-за парты и в быстром темпе сделать 10 приседаний.
Движения лучше выполнять строго по команде, чтобы все участники работали в одном ритме и
получили одинаковую нагрузку. После выполнения приседаний преподаватель предлагает
студентам быстро сесть на место и снова задержать дыхание. Давать передышку и ждать, пока
дыхание нормализуется, нельзя. Надо, чтобы избыток углекислого газа, накопившейся после
работы в крови к моменту второй задержки дыхания, сохранился. В противном случае
результаты опыта будут искажены. Измерение времени задержки дыхания производится тем же
способом. Результат каждый из студентов записывает в графу таблицы, соответствующую
максимальной продолжительности задержки дыхания после нагрузки.
После этого он вычисляет, какой процент составляет максимальное время задержки
дыхания после работы относительно его задержки в состоянии покоя.
Чтобы общая закономерность была для всех учащихся очевидна, все полученные
результаты выписывают на доске.
Таблица 2. Отражение результатов опытов с задержкой дыхания на доске.
№п/п
Время задержки дыхания (с)
до работы
после работы
Процент от времени
задержки дыхания в
состоянии покоя
1
2
3
Вопросы
1. Почему дыхание непроизвольно возобновляется после задержки?
2. Почему после приседаний удалось задержать дыхание на меньшее время, чем до
работы?
3. У тренированного или нетренированного человека разница в задержке дыхания до и
после работы будет более значительной?
Оценка результатов. Результаты считаются хорошими, если в состоянии покоя удается
задержать дыхание на 35-40 с. Более низкие результаты следует оценить как слабые, более
высокие как отличные. Если после нагрузки время задержки дыхания составило 70% и больше
от результатов в состоянии покоя, то тренированность человека можно считать высокой, если
от 50 до 70% - удовлетворительной, а если менее 50% - то слабой.
33
Лабораторная работа №9
Тема: Изучение показателей здоровья человека
Цель работы: Оценка показателей здоровья учащихся, их соответствие возрастным
нормам.
Выполнение работы:
1. Выполнить задание «Определение гармоничности физического развития по
антропометрическим данным».
Оборудование: ростомер, напольные весы, сантиметровая лента.
Антропометрические измерения проводятся в парах.
1. Измерить рост с помощью ростомера. Обследуемый должен стоять на платформе
ростомера, выпрямившись и касаясь вертикальной стойки пятками, ягодицами, межлопаточной
областью и затылком.
2. Окружность грудной клетки измеряется с помощью сантиметровой ленты. Лента
накладывается сзади по нижним углам лопаток при отведенных в сторону руках. Обследуемый
опускает руки, и лента ложится под углы лопаток. Спереди лента проходит по среднегрудинной
точке. Лента должна плотно прилегать к телу.
3. Определить массу тела с помощью весов.
Пользуясь процентными величинами таблицы№1 найдите соответствующий «коридор»
для каждого их ваших показателей (на пересечении возраста и величины показателя).
«Коридор» процентных величин характеризует встречаемость показателя данного
признака в различных половых и возрастных группах. Чем больше значение «коридора», тем
ближе ваши показатели к среднестатистическим данным.
Таблица 1. Процентные величины длины тела (см)
Возраст
(лет)
17–18
Пол
1
м
ж
2
159,3
154,1
«Коридор» и соответствующие ему показатели
3
4
5
163,0
168,1
181,2
185,1
157,3
161,2
170,0
173,1
6
7
187,9
175,5
Таблица 2. Процентные величины массы тела (кг)
Возраст
(лет)
17–18
Пол
1
м
ж
2
46,4
45,2
«Коридор» и соответствующие ему показатели
3
4
5
50,5
56,8
70,6
78,0
48,4
52,4
62,0
68,0
6
7
86,2
79,0
Таблица 3. Процентные величины окружности груди (см)
Возраст
(лет)
17–18
Пол
1
м
ж
2
77,0
75,4
«Коридор» и соответствующие ему показатели
3
4
5
80,1
82,9
92,2
95,5
78,0
80,7
88,0
91,1
6
7
98,4
94,6
2. Выполнить задание «Изучение функционального состояния дыхательной системы».
Оборудование: секундомер.
Выполнение работы:
1. Сделайте обычный вдох. Задержите дыхание, сколько сможете, ажав нос пальцами.
Зафиксируйте время задержки.
2. Сделайте обычный выдох. Задержите дыхание, сколько сможете, ажав нос пальцами.
Зафиксируйте время задержки.
3. Выполните дозированную нагрузку – ходьба по коридору (44 м) в течение 30 секунд.
4. Повторите задержку дыхания на выдохе. Зафиксируйте время задержки.
Обработка результатов и выводы
Сделайте вывод о функциональном состоянии вашей дыхательной системы, используя
следующие данные:
34
– у здоровых детей 18 лет время задержки дыхания на вдохе колеблется от 16 до 55
секунд;
– задержка дыхания на выдохе 12–13 секунд;
– при дозированной физической нагрузке на норму принимается уменьшение времени
задержки дыхания на выдохе не более, чем на 50%
3. Выполнить задание «Изучение функциональных возможностей сердечно-сосудистой
системы».
Оборудование: метроном, ступеньки деревянные высотой 35–50 см, кушетка
I. Гарвардский «степ-тест».
Выполнение работы:
1. Подберите ступеньку, соответствующую вашему росту: бедро ноги, поставленной на
ступеньку, должно быть параллельно полу.
2.Поднимайтесь на ступеньку в течение 5 мин в темпе 30 раз в минуту. Каждый подъем
(под метроном) выполняется на 4 счета: «раз» - одной ногой на ступеньку, «два» - другой
ногой, «три» - одной ногой на пол, «четыре» - другой нагой на пол.
Если не можете выдержать заданный темп, то подъем прекратите, зафиксировав время
начала теста (в секундах).
3. Подсчитайте пульс в течение первой половины второй минуты после прекращения
работы.
4. Рассчитайте индекс (А) по формуле
А= (Продолжительность работы, сек) x100
5,5x (Частота пульса)
Обработка результатов и выводы
Используя данные таблицы, сделайте вывод о функциональном состоянии вашей
сердечно-сосудистой системы.
Индекс А
Характер функциональной
активности сердечно-сосудистой
системы
Низкая
Средняя
Высокая
<50
50–80
>80
II. Ортостатическая проба
Учитывается изменение реакции организма при переходе из горизонтального положения в
вертикальное.
Выполнение работы:
Работа проводится в парах.
1. У обследуемого после 3-5 минутного спокойного лежания подсчитайте частоту пульса в
течение 1 мин по 10-секундым промежутками.
2. Затем таким же образом подсчитайте частоту пульса у резко поднявшегося
обследуемого.
Обработка результатов и выводы
Сделайте вывод о характере реакции сердечно-сосудистой системы обследуемого на
ортостатическую пробу.
Реакция благоприятная, если пульс учащается не более, чем на 4 удара минуту.
Реакция неблагоприятная, если пульс учащается на 40 и более ударов в минуту, что
говорит о невозможности выполнять физическую нагрузку.
Обобщив все полученные данные, сделайте вывод о состоянии здоровья обследуемого
(студенты должны записать выводы в рабочих тетрадях и зачитать). Предложите пути решения
его улучшения (студенты должны в письменном виде указать в рабочих тетрадях и зачитать).
35
Глава II. Фрагменты лекционного курса по основам экологии
Тема 1. Введение, история и задачи курса экология
Термин «экология» происходит от греческого «ойкос» (дом, жилище) и «логос» (учение,
наука), то есть в дословном переводе означает – наука о доме (быте) живых организмов.
Впервые этот термин возник в 1866 г., но был предложен немецким биологом Э. Геккелем.
Экология – это наука о взаимосвязи (взаимоотношениях) живых организмов между собой
и окружающей природой (в том числе, неживой) средой.
Историю развития этой науки можно условно как – бы подразделить на 3 периода: эпоха
Античности, эпоха Возрождения и современный период.
1. Эпоха Античности (VIII в.до н.э. – V в. н.э.) – начало осознания человеком своего места
в природе, без ущерба ей.
− Эмпедокл (487 – 424 г.г. до н.э.) – греческий философ и врач. Считал, что жизнь
появилась из неживой природы, а организмы изменяются под воздействием факторов среды.
− Аристотель (384 – 322 г.г. до н.э.) – греческий философ, учёный – энциклопедист.
− Теофраст, ученик Аристотеля – отец ботаники, изучал приспособления растений к
условиям окружающей среды.
− Гиппократ (460 – 377 г.г. до н.э.) – греческий врач, говорил: «лечить людей надо с
учётом факторов окружающей среды (климат, вода, почва, законы страны).
2. Средние века – характеризуются ослаблением интереса к изучению природы и
господством богословия и схоластики.
3. Эпоха Возрождения. Путешествия и открытия Х. Колумба (1451 – 1506 г.г.), Ф.
Магеллана (1480 – 1521 г.г.), Н. Коперника (1473 – 1543 г.г.), Г. Галилея (1564 – 1642 г.г.)
позволили изучить нашу планету Земля; различия в животном и растительном мире разных
континентов земли.
4. Современные экологические представления.
Жанн Батист Ламарк (1744 – 1829 г.г.) – английский учёный создал концепцию эволюции
живых организмов, согласно которой главной причиной развития видов является стремление к
самосовершенствованию и влиянию внешних условий.
Чарлз Дарвин (1809 – 1882 г.г.) – разработал «Теория происхождения видов путём
естественного отбора», которая состоит из трёх компонентов: наследственность, изменчивость,
естественный отбор. Основы этой теории – борьба живых организмов за существование, в
результате чего выживает даже не сильнейший вид, а лучше приспособленный к условиям
среды.
Большой вклад в развитие экологии внесли и отечественные учёные. Так, К.Ф. Рулье (1814
– 1858 г.г.) изучал зоологию в связи с взаимоотношениями с окружающей средой. Известны
такие работы Н.А. Севернова, В.И. Сукачёва, В.А. Алёхина, К.А. Тимирязева, Н.А. Максимова.
В.И. Вернадский (1863 – 1945 г.г.) – русский учёный с мировым именем создал учение о
биосфере– самой крупной экосистеме планеты. Известны также работы В.В. Докучаева, Д.Н.
Кашкарёва, М.С. Гилярова. Н.Д. Реймерса, Н.Н. Моисеева и др.
В настоящее время экология – это разветвлённая система наук, которая включает общую
экологию, экологию популяций, экологию ландшафтов, экологию человека, прикладную
экологию и т.д.
Экология сейчас является теоретической основой охраны природы и рационального
природопользования.
Экологические проблемы (глобальные), вставшие перед человечеством во второй
половине XX века, стали предметом озабоченности всего мирового общества.
Тема 2. Среды жизни организмов и экологические факторы
Среда обитания – это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на
них определённое воздействие.
36
На нашей планете живые организмы освоили четыре среды обитания (среды жизни):
водную, наземно-воздушную, почвенную и живой организм как среда обитания.
Водная среда была первой, в ней зародилась жизнь, и появились первые живые
организмы. Затем они освоили наземно-воздушную среду, создали и заполнили почву. Живой
организм как среду обитания освоили паразиты и симбионты.
Водная среда самая древняя. Освещённость в ней достигает 50 – 60 метров, а давление
воды увеличивается в ней на 1 атмосферу при погружении на каждые 10 метров. Содержание
кислорода в воде не превышает 1%, солёность воды увеличивается при переходе от пресных
вод к морским и океаническим. Это среда относительно однородная в пространстве и
стабильная во времени, здесь менее резко изменяется температурный режим. Живые организмы
адаптировались к ней, приобретя обтекаемую форму тела, слизистые покровы, развитие
воздухоносных полостей.
Наземно-воздушная среда имеет более резкий контраст температуры, отличается большей
разряжённостью, обилием света и кислорода (до 20,8%). Она более гетерогенна в пространстве,
очень подвижна (динамична) во времени. В связи с большей силой притяжения, чем в водной
среде, животные выработали более мощный скелет, сформировали более совершенный
механизм терморегуляции, освободили половой процесс от жидкой среды.
Почвенная среда обитания выработана самими организмами в результате их
взаимодействия с неорганическими компонентами земного покрова. Она осваивалась
одновременно с наземно-воздушной средой, отличается дефицитом или полным отсутствием
света, высокой плотностью.
Эта среда состоит из трёх фаз: твёрдой, жидкой и газообразной. Она неоднородна в
пространстве, но более постоянна во времени, чем в наземно-воздушной среде. Животные
почвенной среды имеют влажноватую форму слизистые покровы, копательный аппарат (крот).
Для многих групп организмов (насекомые, черви, бактерии) характерны небольшие размеры и
эфемерность (легкий переход от активного состояния и наоборот).
Организменная среда также очень древняя. Это может быть пищеварительный тракт
животных, кровь, лимфа, мышцы. Отличается большим постоянством физических и
химических параметров, чем другие среды. Это могут быть как паразиты хозяина (гельминты,
болезнетворные бактерии), так и симбионты (молочнокислые бактерии).
Каждая из указанных сред обитания организмов отличается особенностями воздействия
экологических факторов.
Экологические факторы – это отдельные элементы среды, которые воздействуют на
организмы. Выделяют три группы экологических факторов: абиотические, биотические и
антропогенные.
Абиотические факторы – это компоненты неживой природы. К ним относят:
климатические (свет, температура, вода, состав атмосферного воздуха, ветер, давление, рельеф,
тип почв и др.).
Биотические факторы – воздействие живых организмов друг на друга (взаимодействие
между особями в популяциях и между популяциями в сообществах). При этом взаимодействия
могут быть внутривидовыми (между особями одного вида) и межвидовыми (между особями
разных видов).
Антропогенные факторы – хозяйственная деятельность человека, приводящая либо к
прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания. При этом
различают воздействие человека, как биологического организма, так и его хозяйственная
деятельность (техногенные факторы).
Тема 3. Экология популяций
Биологический вид – это совокупность особей, имеющих наследственное сходство
морфологических,
физиологических
и
биохимических
особенностей,
свободно
скрещивающихся, дающих плодовитое потомство и занимающих определенный ареал. Виды
часто занимают большой ареал, в пределах которого особи распределены неравномерно,
37
группами – популяциями. Целостность вида поддерживается связями между популяциями. Вид
существует на уровне популяций.
Популяция – совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, занимающая
длительное время определенную часть ареала вида относительно обособленно от других
совокупностей того же вида.
Популяция является структурной единицей вида и единицей эволюции. Популяция
характеризуется рядом свойств: численность, плотность, рождаемость, смертность, прирост.
Численность – число особей в популяции. Она может значительно изменяться во времени
и зависит от биологического потенциала вида и внешних условий.
Плотность – число особей, или биомасса популяции, приходящаяся на единицу площади
или объема.
Рождаемость – число особей, появившихся за единицу времени в результате
размножения.
Смертность – число особей, погибших за единицу времени.
Скорость роста популяции – изменение её численности в единицу времени, она может
быть положительной, нулевой и отрицательной. Это зависит от соотношения рождаемости,
смертности и миграции.
Гомеостаз популяций – поддержание оптимальной численности особей внутри популяции.
Члены популяции оказывают друг на друга не меньшее влияние, чем физические факторы
среды или другие виды.
В популяциях проявляются все типы взаимоотношений, характерные для межвидовых
связей. Но наиболее ярко – мутуалистические (взаимовыгодные) и конкурентные. Кроме
адаптивных возможностей отдельных особей, популяции обладают ещё и групповой
адаптацией.
Соседние популяции сообщаются друг с другом в процессах расселения, переноса семян и
зачатков, сезонных миграций.
Анализ возрастного и полового состава популяций важен для прогноза численности тех
видов, которые мы используем в дикой природе, разводим или с которыми боремся: в сельском
и лесном хозяйстве, в рыбном промысле, в биотехнологиях.
Тема 4. Биоценозы, экосистемы
Впервые понятие «биоценоз» ввел в экологическую науку немецкий ученый К. Мёбиус в
1877 г. Этот термин происходит от греческих слов «биос» (жизнь) и «ценоз» (сообщество).
Биоценоз – это совокупность совместно проживающих и связанных друг с другом видов
живых организмов.
Структура биоценоза:
Популяция → фитоценоз → зооценоз → микробоценоз.
Если к этой цепочке прибавить термин биотоп (от греч. «топос» - место); то образуется
новое, более сложное понятие «биогеоценоз» или «экосистема». В природе биоценозы могут
быть разного масштаба: биоценоз разрушающегося пня, луга, леса, водоёма; могу быть
биоценозы, созданные человеком (агроценозы): аквариума, террариума, теплицы, поля, сада,
огорода.
Биоценозы – не случайные собрания организмов. В сходных природных условиях и при
близком составе фауны и флоры возникают сходные, закономерно повторяющиеся биоценозы.
Например, в разных дубравах в полосе широколиственных лесов мы можем встретить также
липу, клен, лещину, рябину, калину, бересклет и малину; из трав – сныть, ветреницу
дубравную, ландыш майский и др. Среди животных – белку, кабана, мышь, зайца, лису, лося и
др.
В экосистемах (биоценозах) происходит биологический круговорот химических элементов
и энергии. Этот процесс особенно отчетливо прослеживается в цепях питания и правиле
экологической пирамиды, о чем будет сказано ниже.
38
Классификация взаимоотношений организмов в биоценозах (по В.Н. Беклемишеву (1890–
1962г г.)).
1. Трофические связи (по способу питания) – один вид питается либо другими видами,
либо их мертвыми остатками, либо продуктами жизнедеятельности. И здесь прослеживаются
экологические цепи питания. Например: трава → заяц → лиса → волк → микроорганизмы (или
грибы). Трава здесь выполняет функцию продуцентов (производителей органического
вещества); заяц, лиса, волк – функцию консументов (потребителей органического вещества);
микроорганизмы и грибы – функцию редуцентов (разрушителей органического вещества).
2. Топические связи (от гр. «топос» - место) – физическое или химическое изменение
условий обитания одного вида за счет жизнедеятельности другого вида. Например, лес создает
хорошие микроусловия для многих видов растений и животных. Поэтому трофические и
топические связи являются главными в биоценозе.
3. Форические связи – это участие одного вида в распространении другого. Зоохория –
перенос животными семян (птицы, муравьи), спор, пыльцы растений (общественные
перепончатокрылые). Форезия – перенос крупными животными – белее мелких (клещи, яйца и
личинки насекомых и др.).
4. Фабрические связи – когда виды используют для своих сооружений (фабрикаций)
продукты выделения, либо мёртвые остатки, либо живых особей другого вида.
5. Паразитизм – организм-потребитель использует живого хозяина не только как
источник пищи, но и как место постоянного или временного проживания.
6. Комменсализм – когда деятельность одного вида доставляет пищу или убежище
другому виду (комменсалу). Например, рыба – прилипала и акула, гиена и лев.
7. Мутуализм – взаимовыгодное сожительство двух видов (водоросли и грибы в теле
лишайника, азотофиксирующие бактерии на корнях бобовых растений и т.д.).
8. Нейтрализм – совместное проживание видов, не влияющих друг на друга (лоси белки в
лесу).
9. Аменсализм – один вид ухудшает условия жизни другого, например, деревья затеняет
траву.
10. Конкуренция – отношения между видами со сходными экологическими требованиями.
Например, саранча и сайгаки за траву в лесу.
Тема 5. Основы учения о биосфере
Биосфера – оболочка жизни планеты, глобальная экосистема. Земля, населённая
совокупностью живых организмов. Основатель учения о биосфере русский ученый, академик
В.И. Вернадский (1863–1945 г.г.) говорил: «Организмы изменили и изменяют земную кору и
атмосферу. Растительная часть биомассы за миллиарды лет очистила атмосферу от углекислого
газа и обогатила кислородом, привела к накоплению углерода в известняках, каменном угле,
нефти, торфе, сланцах».
Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных
организмов: верхний предел – озоновый слой атмосферы (≈ 15–25 км.), здесь можно встретить
споры грибов, бактерии, пыльцу растений; нижний предел – вся глубина гидросферы (> 11000
м.) и до 3 км. В литосферу, где температура поднимается не > 100оС (анаэробные бактерии).
Основные свойства живого вещества (биомассы) биосферы следующие: способность к
размножению (воспроизводству) и обмен веществ с окружающей средой. Особенное значение в
биосфере имеет выделение кислорода, и поглощение углекислого газа при фотосинтезе зелёных
растений, так как при этом образуется органическое вещество и используется энергия солнца.
В биосфере масса растений (97%) во много раз превышает массу животных (3%). Вся
биомасса планеты составляет ≈ 2,4×1012 т.
В круговороте веществ биомасса выполняет следующие функции:
1. Газовая функция – растения выделяют кислород в процессе фотосинтеза; растения и
животные выделяют углекислый газ при дыхании; бактерии восстанавливают азот, сероводород
и др.
39
2. Концентрационная функция – «захват» живыми веществами химических элементов и
накопление их в земной коре.
3. Окислительно-восстановительная функция – окисление веществ с помощью
организмов в почве и гидросфере с образованием солей, оксидов и других соединений, а также
в восстановлении ряда веществ (сероводорода, сернистого железа и др.). В результате
деятельности микробов в земной коре образовались отложения известняков, бокситов, руды и
др.
4. Биохимическая функция – связана с питанием, дыханием и размножением; с
разрушением гниением отмерших организмов. Все эти организмы проявляются в биогенной
миграции атомов. В биосфере в течение 2 млрд. лет идут изменения, границы её расширяются,
проникая в безжизненные области планеты.
Биосфера – грандиозная система всего живого вещества и круговоротов химических
элементов на Земле, но система открытия, так как в неё постоянно вливается поток солнечной
энергии.
Тема 6. Биосфера и человек. Ноосфера
Человечество представляет небольшую биомассу в биосфере, но оказывает на неё сильное
(планетарное) влияние. В процессе природопользования человечество перемещает на планете
более 4 трл. т. вещества, создаёт тысячи новых химических соединений, которые не
включаются в общий круговорот веществ и накапливаются в биосфере, вызывая её загрязнение.
В развитии биосферы наступил такой период, когда человек должен планировать свою
хозяйственную деятельность таким образом, чтобы она не нарушала сложившейся в этой
гигантской экосистеме закономерности, не приводила к сокращению биомассы.
Настоящий период хозяйственной деятельности человека можно назвать развитым
индустриальным обществом, находящимся в состоянии глобального экологического кризиса.
Чтобы перейти от производственного хозяйства к ноосферному самоограничению необходимо
сделать, по мнению В.И. Вернадского, самую «малость» - построить общество саморегуляции.
Главной экологической задачей человечества должно считаться сохранение естественной
биоты на Земле, которое должно саморегулироваться полным прекращением освоения
естественной биоты океана и его восстановлением значительно освоенной части суши.
Человек, став мощным геологическим фактором, оказывает глобальное воздействие на
биосферу. Биосфера со своей стороны, диктует ему свои экологические законы, в том числе и
законы о биотической регуляции окружающей среды, которые он должен соблюдать, чтобы
выжить.
Создаются условия, очень напоминающие сопряженную эволюцию или коэволюцию
«человек-биосфера». Продуктом такой коэволюции может быть так называемая «ноосфера».
Венцом творчества В.И. Вернадского и стало учение о ноосфере.
Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера, разума) – высшая стадия развития биосферы.
Это сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая
деятельность становится главным, определяющим фактором развития.
В.И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное явление на нашей
планете», а «природное явление». Нооосфера – окружающая человека среда, в которой
природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом. Воздействие
человеческого общества на природу резко отличается от воздействий других форм живого
вещества. Эти гениальные мысли В.И. Вернадского позволили ряду ученых допустить в
дальнейшем и такой ход событий в эволюции биосферы, как коэволюцию между человеческим
обществом и природной средой. Становление ноосферы по В.И. Вернадскому процесс
длительный, но ряд ученых полагают, что человечество уже вступило в период ноосферы, хотя
многие считают, что пока об этом говорить рано.
Для этого необходимо проводить развитие в пределах природно-ресурсных лимитов,
перейти от постконфрантационной эпохи экономному хозяйству, демографическому и
экологическому планированию, провести гуманитарную революцию.
40
Тема 7. Глобальные экологические проблемы
На рубеже II–III тысячелетий экономические проблемы обострились настолько, что
биосфера планеты оказалась в состоянии глубокого экологического кризиса и стоит на грани
экологической катастрофы.
Глобальные экологические проблемы современности.
Прежде всего, демографическая и продовольственная проблемы. Дело в том, что, победив
в XVIII–XIX вв. наиболее опасные болезни – тиф, чуму, холеру – кривая роста человечества
пошла резко вверх. На рубеже тысячелетий оно составило 6,3 млрд. чел. Если эта тенденция
сохраниться, то к концу XXI века численность населения планеты составит 10 млрд. чел. Это
обостряет, прежде всего, снабжение населения продуктами питания. Уже сейчас 1/3 населения
голодает, а недостаток белковой пищи (основа иммунитета человека) испытывает более
половины населения. Эту проблему можно решить с одной стороны – разумным
регулированием роста численности Homo sapiens, а с другой – совершенствованием продуктов
питания.
Проблема антропогенного изменения климата планеты проявляется в том, что климат
становится суше и теплее. Сухость климата связана с тем, что сокращается площадь
«поставщиков» водных паров в атмосферу: это площадь листового аппарата растений и
загрязнение поверхности мирового океана, прежде всего, нефтепродуктами так, за последние 30
лет площадь лесов сократилась на 1/3 (Россия, Франция, Италия, Африка, Латинская Америка и
др.), так как они «работают» на биосферу круглый год.
Загрязнение поверхности мирового океана. Норвежский мореплаватель Тур Хейярдал
охарактеризовал следующим образом: « За последние четверть века мировой океан превратился
в сточную канаву человечества».
Потепление климата связано с выделением в атмосферу так называемых «парниковых
газов», это, прежде всего оксид и диоксид углерода, метан. Они, оставаясь близко к
поверхности земли, препятствуют радиационной отдаче тепла нашей планетой. Если эту
ситуацию не изменить, то к середине XXI века температура воздуха на планете может
подняться на 0,5 0С. Это приведёт к таянию ледников и поднятию уровня мирового океана.
Что может повлечь к затоплению больших площадей поверхности планеты.
Хищническое отношение к почве, вызывающее её ветровую и водную эрозию приводит к
уничтожению государств и народов: Хорезм, государства Северной Африки, ценные земли
бывшего СССР, мексиканское племя Майя и др.
Актуальной является также проблема загрязнения атмосферного воздуха, почвы,
гидросферы пестицидами, промышленными и бытовыми стоками и выбросами, а также
радионуклидами. Например, авария на Чернобыльской АЭС привела к повышению уровня
радиации на всей планете и обострила проблему онкологических других заболеваний.
Проблема энергоресурсов: по данным учёных, разведанных, запасов нефти хватит на 35
лет, газа – на 50 лет, угля – на 150 лет. А что дальше? Поэтому, следует уже сейчас
активизировать работу по геологоразведке, разработка более совершенной технологии добычи
энергоресурсов, а также поиску и внедрению так называемых альтернативных источников
энергии. Здесь имеется в виду использование ветровой эрозии, приливоотливные
электростанции, солнечные батареи. Кстати, в Японии и в некоторых странах Западной Европы
уже сейчас появились автомобили, работающие от солнечных батарей и на аккумуляторах.
Перспективно также использование технологичности и защищенности АЭС.
Проблема пресной воды является также весьма актуальной, ведь на нашей планете ее всего
лишь около 3% от всей гидросферы. Причём, 2% - это ледники полюсных ледяных шапок и
всего лишь около 1% - пресные воды суши, как поверхностные, что значительная их часть
загрязнена, то проблема ещё боле обостряется.
Кислотные дожди связаны с выбросами промышленными предприятиями и
автотранспортом в атмосферу и растворением в её водяных парах оксидов серы и азота.
Формирование и выпадение кислотных осадков приводит к гибели лесов, многих видов
животных организмов водоёмов, к закислению и потере плодородия почв.
41
Таким образом, из сказанного видно, что решение глобальных экологических проблем
возможно только при объединении усилий всего мирового сообщества, всех государств мира.
Тема 8. Региональные экологические проблемы
Прежде всего, следует отметить, что географическое расположение России в северном
полушарии обусловливает довольно жёсткие климатические условия по температурному
показателю, особенно в азиатской части России.
Климат Европейской части России в некоторой степени смягчается тёплым атлантическим
течением Гольфстрим. Поэтому северный порт Мурманск круглый год не замерзает. В
азиатской же части суровые климатические условия характерны для значительных областей
тундры, лесотундры и сибирской тайги. Это обстоятельство объясняет то положение, что, не
смотря на большую площадь азиатской части, в ней проживает всего лишь 20% населения
России. Это, конечно, природная экологическая причина.
Вместе с тем, в нашей стране много экологических проблем антропогенного характера.
Прежде всего, у нас в сильной степени проявляются все указанные выше глобальные
экологические проблемы. Это связано и с географическими, и с историческими причинами, и с
пока ещё низким технологическим уровнем сельского хозяйства, и, к сожалению,
недостаточным уровнем общей и экологической культуры населения.
Необходимо отметить, что в погоне за мировыми рекордами в ряде стратегических
отраслей хозяйства, мы несколько ослабили экологический контроль. Это касается и
радиоактивного загрязнения, и низкого технического уровня ряда отраслей хозяйства и
недостаточного уровня экологического образования и воспитания населения.
Так, при аварии на Чернобыльской АЭС были заражены радионуклидами цезия и
стронция 20 регионов России. Большой уровень радиации отмечается в зоне действия и других
АЭС, не решены проблемы с утилизацией и переработкой отработанного ядерного топлива
(ОЯТ). Однако, это обстоятельство не помешало нашему правительству «прикупить»
значительное количество ОЯТ с Запада.
Бурный рост автотранспорта обусловил то обстоятельство, что его вредные выбросы
значительно превысили выбросы «ослабевшей» промышленности. Особенно если учесть
недостаточное качество наших автодорог, низкий технический уровень и «старость»
транспортных средств, низкое качество отечественного бензина и дизельного топлива.
Среднее Поволжье находиться в центре европейской части страны, а значит, ему присущи
все указанные выше общемировые и общеевропейские экологические проблемы. Вместе с тем,
хотелось бы сказать о главном богатстве этого региона – мощных чернозёмных почвах, лучших
на всей планете Земля. Если в середине XIX века они содержали до 10–12% гумуса
(органического вещества), то сейчас в них содержится всего 3–4%. Хотя, мы знаем, что на
формирование 1% гумуса природа тратит сотни лет.
Потеря плодородия почв связана с недостаточным уровнем ведения сельского хозяйства,
водной и ветровой эрозией почв, заражения их пестицидами и радионуклидами, с
недостаточной культурой наших земледельцев, с мизерными дотациями правительства на
развитие села.
В нашей Саратовской области также находят своё проявление, как указанные выше
экологические проблемы, так и присущие ей. Так, г. Саратов входит в число самых «грязных»
городов России.
42
Тема 9. Сельскохозяйственная экология
Сельскохозяйственная экология (агроэкология) – раздел прикладной экологии, изучающей
взаимоотношения культивируемых человеком организмов, их популяций и сообществ с
окружающей средой.
Основным объектом сельскохозяйственной экологии является агроэкосистема.
Агроэкосистема – это искусственно созданная и регулярно поддерживаемая человеком
экосистема сельскохозяйственных ландшафтов (полей, искусственных пастбищ, огородов,
садов, лесных насаждений и т.д.).
Агроэкосистемы (агроценозы, искусственные экосистемы) занимают примерно 10%
поверхности суши (около 1,5 млрд. га), но при этом дают человечеству > 90% пищ. продуктов.
Основой агроэкосистемы являются искусственные фитоценозы или зооценозы.
Агроэкосистема находится в непосредственной связи с почвой, почвенной и атмосферной
влагой, атмосферным воздухом, грунтовыми водами.
Агроэкосистемы создаются человеком для получения высоких урожаев, поэтому кроме
энергии солнечного света получают дополнительную энергию в виду обработки почв,
применения минеральных удобрений и пастбищ.
Поэтому биологическая продуктивность агроценозов обычно выше природных
биогеоценозов. Другое отличие агросистемы: она представляет обычно монокультуру, конечная
продукция которой изымается человеком из естественного отбора, что приводит к разрыву
круговорота веществ. Так как культивируемые человеком виды растений и животных созданы
за счет искусственного отбора, то такие виды неконкурентоспособны с дикими видами,
поэтому они не могут существовать без поддержки человека.
Почва. Мировая наука с тревогой оценивает возможные последствия для планеты
изменения природной суши, вызванное индустриальной и аграрной деятельностью человека.
Наряду с атмосферой и гидросферой негативным воздействиям подвержена и почва.
Всего в мире обрабатываемые почвы, за использованием пастбищ, занимают сегодня
около 11% суши, а испорченные земли (овраги, сливы) – 3%. Т.е. более 25% обрабатываемых
земель. Если же считать и земли, выведенные из землепользования в связи с подтоплением,
засолением и т.п., то за все время своего существования человечество потеряло половину всех
земель, пригодных для сельского хозяйства.
Ресурсы сельскохозяйственных угодий убывают за счет эрозии, выдувания,
заболачивания, засоления, радиационного загрязнения, зарастания мелколесьем и кустарником,
отчуждения под строительство городов и поселков, промышленных предприятий, прокладкой
коммуникаций. Почвы, великое богатство России буквально «горят у нас под ногами»,
сокращая валовые сборы основных сельскохозяйственных культур.
Эрозия почв – смыв текучей водой делится на поверхностную и линейную (овражную). Не
меньше, если не больше потери приносит ирригационная (поливы) эрозия – разрушения и
переотложения почв и грунтов в процессе полива или дождевания.
Наряду с уклоном овражной территории причиной ирригационной эрозии являются
низкая водопроницаемость почв и их невысокая противоэрозийная устойчивость. Ущерб от
загрязнения окружающей среды продуктами слива существенно превосходит ущерб от самой
ирригационной эрозии.
Масштабы загрязнения поверхности вод смытыми с полей удобрениями и пестицидами
ставят сельское хозяйство в один ряд с промышленностью.
Дефляция (выдувание почвы ветром) различается на повседневную, когда почва пылит под
ветром малой скорости и вызываемую ветром большой, иногда ураганной скорости (пыльные
бури).
Опасные виды антропогенной дефляции возникают при введение в сельскохозяйственный
оборот земель без учета возможной ветровой эрозии.
Распахивание целинных земель в Казахстане существенно активизировал пыльные бури.
43
Уплотнение почв ходовыми системами машинно-тракторных агрегатов. С уплотнением
почв уменьшается их общая пористость, ухудшается доступ влаги к растениям, снижается
аэрация и скорость фильтрации воды, затрудняется рост корней.
Дегумификация почв – процесс потери почвами гумуса (органического вещества). Это
отмечается во всех регионах России в том числе – в её основной житнице – черноземной зоне.
Так, содержание гумуса в почвах Поволжья последние полвека снизилось с 10–14% до 6–8%,
хотя на формирование 1% гумуса природа тратит сотни лет.
Основные причины дегумификации:
− недостаточное поступление в почвы биомассы «сырья» для процессов гумификации;
− ускорение минерализации органического вещества вследствие интенсивной обработки
почвы и применения удобрений;
− потеря гумуса за счет эрозии и дефляции.
Если подсчитать ожидаемые потери гумуса, то поданным многих исследователей уже к
2010 г. во многих типах почв его количество может уменьшится до половины в слое – 0,20 см.
Закисление почв. Большинство культурных растений способно хорошо расти на
нейтральных или близких к ним почвам, однако в практике встречается много закисленных и
щелочных почв. На северной территории России преобладают кислые почвы (болотные,
подзорестые) – 66% от всей поверхности (pH – 5,0). В этих почвах – недостаток ионов Са2+ и
Мg2+ и избыток ионов Н+ и Аl3+. Это обуславливает их неблагоприятные агрохимические
свойства. Снижение pH ухудшает усвоение N, P, K и микроэлементов. Закисление почв может
происходить при выпадении кислотных осадков и поливе закисленными водами.
Засоление почв может быть вызвано в основном поливами некачественной засаленной
водой.
Загрязнение почв – происходит в результате применения минеральных органических
удобрений, пестицидов, особенно при нарушении доз их внесения. При этом происходит
минерализация гумуса, потеря почвой NO2, который выделяясь в атмосферу, способствует
разрушению озонового слоя.
Избыток нитритов и нитратов ухудшает качество сельскохозяйственной продукции,
вызывает у человека и животных расстройства пищеварения, канцерогенные осложнения.
Избыточно вносимые минеральные удобрения с поверхностным и подземным стоками
поступают в реки и озера и вызывают их «цветение», редко ухудшая качество вод.
Особенно опасно загрязнение почв пестицидами (ядохимикатами), которые уничтожают
не только вредные растения, насекомых, но и полезные виды. Обычно используется по
назначению 4%-5% пестицидов, остальные накапливаются в природной среде, часто с
непредсказуемыми последствиями (ДДТ, ГХЦГ и т.д.). Напротив фосфорорганические
пестициды (карбофос, метофос – быстро разлагаются).
ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ПО ЭКОЛОГИИ
Тема 1. История и задачи курса экологии
1. Дать характеристику основных этапов в развитии экологии как науки.
2. Назвать подразделы экологии в связи с объектами изучения: аутэкология, демэкологии,
синэкология, глобальная экология.
3. Привести примеры, расшифровывающие методы экологических исследований:
наблюдение, сравнительный, экспериментальный, моделирование.
4. Пояснить экологические законы американского ученого Коммонера: «Все связано со
всем», «Все должно куда-то деваться», «Ничто не дается даром», «Природа знает лучше».
Тема 2. Среды жизни организмов
1. Дать характеристику основных сред обитания организмов.
2. Назвать абиотические факторы среды и адаптации к ним организмов.
3. Назвать биотические факторы среды и адаптации к ним.
44
4. Характеристика антропогенных факторов.
Тема 3 Экология популяций
1. Чем отличаются понятия биологический вид и популяция.
2. Определить численность популяции (в % / м2) подорожника большого – Plantago major
L.
3. Определить плотность популяции P. major L. из расчёта шт. / га.
4. Определить повреждаемость грызунами деревьев в этих вариантах в % (250 шт, 420 шт,
750 шт).
Тема 4. Биоценозы, экосистемы
1. Отличие понятий биоценоз от понятия экосистема.
2. Дать структуру биоценоза и привести пример пищевой цепи.
3. В чем заключается правило экологической пирамиды (правило 10%).
4. Привести пример взаимоотношений организмов в биоценозе по классификации В.И.
Беклемищева.
Тема 5. Основы учения о биосфере
1. Дать определение понятия биосфера по В.И. Вернадскому.
2. Границы распространения «живого вещества» в биосфере.
3. Анализ функций выполняющих «живым веществом» в биосфере.
4. Приведете примеры расширения границ распространения «живого вещества» в
биосфере.
Тема 6. биосфера и человек. Ноосфера
1. Взаимодействие человека и биосферы на разных этапах развития цивилизации.
2. Определение понятия ноосферы по В.И. Вернадскому.
3. Условия перехода биосферы в состояние ноосферы.
Тема 7. Глобальны экологические проблемы
1. Назвать основные глобальные экологические проблемы.
2. предложить пути решения глобальных экологических проблем.
Тема 8. Региональные экологические проблемы
1. Региональные экологические проблемы России и пути их решения.
2. Региональные экологические проблемы, Липецкой области, её регионов и пути их
решения.
Тема 9. Экология сельского хозяйства
1. Экологические проблемы, возникающие при ведении сельского хозяйства.
2. Отличие агроценоза от биоценоза.
3. Влияние сельского хозяйства на поверхностные и грунтовые воды.
4. Деградация почв.
45
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Рис. 1. Схема митоза (кариокинеза)
46
Рис. 2. Схема мейоза (редукционного деления)
47
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Рис. 1. Схема процесса фотосинтеза
48
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Рис. 1. Схема строения ДНК (двойная спираль)
Рис. 2. Участок двойной спирали ДНК
49
Рис. 3. Схема синтеза и-РНК
Рис 4. Схема т-РНК
50
Рис. 5. Механизм работы рибосомы
51
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Рис. 1. Моногибридное скрещивание ночной красавицы
Рис. 2. Дигибридное скрещивание гороха
52
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акимова, Т. А. Экология. Человек–Экономика–Биота–Среда: учебник для вузов [Текст]
/ Т. А. Акимова. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. – 566 с.
2. Бавтуто, Г. А. Практикум по анатомии и морфологии растений: учеб. пособие [Текст] /
Г. А. Бавтуто, Л. М. Ерей. – Мн.: Новое издание, 2002. – 464 с.
3. Биология: учебне пособие [Текст] / Под ред. Н. В. Чебышева. – М.: Наука, 2009. – 416 с.
4. Богданова, Т. Л. Биология: задания и упражнения. Пособие для поступающих в вузы
[Текст] / Т. Л. Богданова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1991. – 350 с.
5. Вахненко, Д. В. Биология с основами экологии: учебник для вузов [Текст] / Д. В.
Вахненко. – М., 2007. – 515 с.
6. Воронков, Н. А. Экология общая, социальная, прикладная: учебник для вузов [Текст] /
Н. А. Воронков. – М.: АГАР, 2000. – 424 с.
7. Гальперин, М. В. Экологические основы природопользования [Текст] / М. В. Гальперин.
– 2-е изд., испр. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. – 256 с.
8. Горбунов, А. В. Экология: методические указания к выполнению практических работ
студентов специальности 060 500 з/о формы обучения [Текст] / А. В. Горбунов. – Саратов:
СГАУ, 2004. – 68 с.
9. Дорохина, Л. Н. Руководство к лабораторным занятиям по ботанике с основами
экологии: учеб. пособие [Текст] / Л. Н. Дорохина, А. С. Нехлюдова. – М.: Просвещение, 1980. –
143 с.
10. Занина, М. А. Биология с основами экологии: практикум для студентов
небиологических специальностей / М. А. Занина, М. Ю. Сергадеева. – Балашов: Николаев, 2006.
– 84 с.
11. Лысов, П. К. Биология с основами экологии: учебник для студентов
естественнонаучных, технических и гуманитарных направлений и специальностей ВУЗов
[Текст] / П. К. Лысов. – М.: Высшая школа, 2009. – 655 с.
12. Пехов, А. П. Биология с основами экологии: учебник для вузов [Текст] / А. П. Пехов. –
СПб.: Лань, 2007. – 688 с.
13. Розанов, С. И. Общая экология: учебник для технических направлений и
специальностей [Текст] / С. И. Розанов. – СПб.: Лань, 2006. – 290 с.
14. Рохлов, В. С. Практикум по анатомии и физиологии человека: учеб. пособие [Текст] /
В. С. Рохлов. – М.: Академия, 1999. – 160 с.
15. Семенов, А. А. Полевой практикум по экологии: учеб. пособие [Текст] / А. А. Семенов,
В. М. Астафьев, З. И. Чердымова. – М.: Тайдекс Ко, 2003. – 144 с.
16. Ставров, О. А. Методические указания к расчетно-практическим работам по курсу
«экология» [Текст] / О. А. Ставров. – М.: МАДИ, 1998. – 45 с.
17. Степанян, Е. Н. Лабораторные занятия по зоологии с основами экологии животных:
учеб. пособие [Текст] / Е. Н. Степанян, В. М. Душенков, В. В. Титова, Е. М. Алексахина. – М.:
Просвещение, 1986. – 96 с.
18. Тупикин, Е. И. Общая биология с основами экологии и природоохранной
деятельности: уч. пособие [Текст] / Е. И. Тупикин. – М.: Академия, 2003. – 384 с.
19. Федорова, А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды: учеб. пособие
[Текст] / А. И. Федорова. – М.: ВЛАДОС, 2003. – 288 с.
20. Чернова, Н. М. Экология: учеб. пособие [Текст] / Н. М. Чернова, А. М. Былова. – М.:
Просвещение, 1988. – 345 с.
53