2.Современные достижения и проблемы биотехнологии.
Биотехнология — это интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения.
Чаще всего применяется в медицине, пищевой промышленности, также для решения проблем в области энергетики, охране окружающей среды, и в научных исследованиях.
В последние десятилетия биология бурно развивается и создаёт новые научные направления. Новое комплексное направление — физико-химическая биология, включающая в себя биохимию, биофизику, молекулярные биологию и генетику, биоорганическую химию и некоторые другие дисциплины, — не только помогает решать задачи, которые давно ставила перед биологией производственно-техническая практика, но и намечает пути принципиально нового биологического производства.
В результате стремительного прогресса разных составных частей физико-химической биологии, возникло новое направление в науке и производстве, получившее наименование биотехнологии. Это направление сформировалось за последние два десятка лет и уже сейчас получило мощное развитие.
Особенно интенсивно биотехнология стала развиваться с 1981 года. Задачи физико-химической биологии очень обширны. Объединяет их то, что основу, суть каждой задачи составляет познание природы живого и использование в практике знаний о процессах и материальных структурах живых организмов. Стремительно расширяющиеся знания о процессах жизнедеятельности позволяют не только приспосабливать эти процессы для практических целей, но и управлять ими, а также создавать весьма перспективные в практическом отношении новые системы, не существующие в природе, хотя и аналогичные существующим.
Биотехнология в целом представляет собой систему приёмов направленного использования процессов жизнедеятельности живых организмов для получения промышленным способом ценных продуктов.
Традиционные биотехнологические процессы, основанные на брожении, дополняются новыми эффективными процессами получения белков, АК, антибиотиков, ферментов, витаминов, органических кислот и др. Наступила эра новейшей биотехнологии, связанная с получением вакцин, гормонов, интерферонов и др. Важнейшими задачами, стоящими перед биотехнологией сегодня, являются: повышение продуктивности с/х растительных культур и животных, создание новых пород культивируемых в с/х видов, защита окружающей среды и утилизация отходов, создание новых экологически чистых процессов преобразования энергии и получения минеральных ресурсов.
Современная биотехнология остро нуждается в научно-обоснованной проработке технологий и аппаратурном оформлении. Поэтому необходима органическая связь с техническими науками, а также с экономическими и общественными науками.
Билет 17
Роль прокариот в круговоротах азота, серы и углерода.
Первые ископаемые бактерии и цианобактерии (сине-зел. водоросли) существовали 4-2 млрд. л.н. (архей). А в начале протерозоя (2-0,6 млрд. л.н.) появились первые аэробные прокариоты.
Роль бактерий в круговороте.
Микроорганизмы участвуют во всех циклах круговорота, так как:
Они обладают очень высокой каталитической активностью, благодаря своим размерам (большая масса и поверхность) — соприкасаются со всеми соединениями и скорость дыхания большая;
высокая скорость размножения (в благоприятных условиях - лето с высокой температурой);
метаболическое разнообразие и гибкость — способны расщеплять самые разнообразные соединения.
Изменение степени окисления участвующих в биологическом круговороте химических элементов представляет собой окислительно-восстановительную функцию живого вещества Важную роль в ее реализации играет жизнедеятельность хемосинтезирующих бактерий. Биомасса продуцируемого ими органического вещества сравнительно невелика, однако процессы хемосинтеза требуют переработки весьма большого количества неорганических веществ, что имеет определяющее значение для биологического круговорота целого ряда химических элементов. Так, жизнедеятельность азотистых бактерий обеспечивается окислением соединений аммония до свободного азота, нитритов и нитратов. Важно отметить, что вступающие в эти процессы соединения сами имеют по большей части биогенное происхождение, являясь продуктами гниения остатков органического вещества, перерабатываемого сапрофитными бактериями-редуцентами. Азот — важный компонент минерального питания растений. Он необходим им для синтеза аминокислот, нуклеотидов и многих других органических веществ. В то же время соединения аммония практически не усваиваются корневой системой растений. Поэтому их окисление до нитратов представляет собой способ возвращения азота в биологический круговорот. Участниками того же процесса являются бактерии — фиксаторы азота, способные поглощать его из атмосферы.
Азотистые бактерии играют важную роль в обеспечении плодородия почв и формировании фито- и агроценозов.
С помощью бактерий и синезеленых в состав органического вещества переходит до 90 % всего включенного в биогенный цикл азота; остальные 10 % приходятся на связывание азота действием молнии. Таким образом, одна из важнейших функций прокариот в биосфере заключается в вовлечении в круговорот элементов из косной (неживой) природы Следующая важнейшая функция прокариот противоположна первой. Это возвращение неорганических веществ в окружающею среду путем разрушения (минерализации) органических соединений. Гетеротрофныее бактерии функционируют не только в почве и воде, но и в кишечнике множества видов животных, интенсивно содействуя прению сложных веществ (в первую очередь углеводов) в более простые.
К числу хемосинтезируюших организмов, жизнедеятельность которых играет важную роль в жизни биосферы, относятся сернистые бактерии, окисляющие сероводород до свободной серы и сульфатов. Используемый ими сероводород может иметь вулканическое происхождение, а также образовываться в результате гниения органических остатков из серосодержащих аминокислот.
Есть все основания считать, что деятельность азотистых и сернистых бактерий сыграла огромную роль в накоплении первичной биомассы мирового океана на ранних этапах развития жизни, когда атмосфера Земли была насыщена аммиаком и сероводородом.
Заметную роль в формировании осадочных пород играет жизнедеятельность железобактерий, окисляющих соединения двухвалентного железа (например, хорошо растворимый гидрокарбонат) до трехвалентного (например, до нерастворимой гидроокиси), тем самым способствуя осаждению железа в земной коре и замыкая его биологический круговорот.
При этом в круговорот включаются кислород (бактерии используют его для окисления) и углерод. Углерод и кислород взаимосвязаны на суше и в океане. На суше - бактерии играют большую роль в круговороте углерода, а в океане - в образовании кислорода Высвобождение углерода из органических остатков происходит путем разложение их бактериями. Также бактерии разрушают клетчатку, целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозу и др.
В результате чего углерод в форме углекислоты вновь поступает в круговорот.
Происхождение, эволюция и классификация многоклеточных животных.
Классификация многоклеточных:
Царство животные анималия
3 подцарства: 1 паразоа- тип губки(имеют клеточный уровень организации,но нет органов и сис-м)
2.месозоа-тип пластинчатые
3 эумитазоа – настоящие многоклеточ животные,вкл 2 раздела : радиально симметричных, или двухслойных (Radiata, Diploblastica),). – кот вкл 2типа-1.стрекающие (Cnidaria) (подтип антозоа-кораловые полипы и подтип медузозоа)
2ой тип гребневики (Ctenophora)
раздел билатеральных, или трехслойных (Bilateria, Triploblastica )(3х слойные животные) 3 подраздела :нецеломические вкл *тип плоские черви( Рlatуhеlminthes) ,кот вкл 2 подтипа: древнекожные Archidermata (ресничные) и новокожные Neodermata (трематоды),
Archidermata подразделяют на два надкласса Archophora – архофорные и Neophora– неофорные.
Подтип Neodermata включает два надкласса Acercomera –нецеркомерные и Cercomeromorpha – церкомерные, Надкласс Acercomera представлен классом Trematoda с подклассами Digenea – дигенетические сосальщики и Aspidogastrea – аспидогастры (некоторые исследователи рассматривают их как классы Trematoda и Aspidogastrida).
*вкл группу первичнополостные черви ,кот вкл тип коловратки Rotifera,нематоды Nematoda,волосатики Nematomorhpa,брюхоресничный тип Gastrothricha, скребни Acanthocephala и головохоботные Cephalorhyncha).
2 ой подраздел целомические вкл. Тип кольчатые черви Annelida,тип моллюски Тип моллюсков (Mollusca) подразделяется на два подтипа: подтип боконервные (Aculifera) и подтип раковинные (Conchifera)., тип членистоногие Arthropoda Тип членистоногие Arthropoda разделяется на 3 подтипа: подтип Trilobitomorpha (Трилобитообразные); подтип Mandibulata (Мандибулярные) c двумя инфратипами Crustacea(=Branchiata) – Ракообразные, жабродышащие Atelocerata (=Antennata=Tracheata) – Неполноусые, трахейные;
подтип Chelicerata (Хелицеровые).
, тип иглокожие (Echinodermata) Традиционно тип подразделяется по характеру образа жизни животных
на два подтипа:
Подтип Eleuterozoa объединяет свободноживущих иглокожих
Класс Морские звезды Asteroidea
Класс Морские маргаритки Сoncentricycloidea
Класс Офиуры или Змеехвостки Ophiuroidea
Класс Морские ежи Echinoidea
Класс Голотурии Holothuroidea
Подтип Pelmatozoa включает прикрепленных животных
Класс Морские лилии Crinoidea. и тип полухордовые (Hemichordata) Тип подразделяется на 3 класса:
Класс Кишечнодышащие Enteropneusta
Класс Крыложаберные Pterobranchia
Класс Планктосферы Planctosphaeroidea,тип хордовые (Chordata).
3 подраздел лофофоровые вкл 4 типа :плеченогие,мшанки,циклофоры,фораниды.
Происхождение многоклеточных животных
Прежде всего необходимо определить понятие многоклеточное животное. Важнейшими чертами многоклеточности являются следующие: 1) тело животного состоит из большого количества клеток; 2) клетки дифференцированы на половые и соматические, а последние различаются также по структуре и функциям; 3) клетки расположены в организме в несколько слоев; 4) клетки интегрированы в целостную систему благодаря существованию жидкостной внутренней среды и нервной системы.
В процессе эволюции первая характеристика многоклеточности достигается наиболее просто: среди простейших уже имеется огромное количество видов колониальных организмов. Остальные черты многоклеточности связаны с возникновением многослойности, обеспечивающей как различные условия существования клеткам, расположенным на поверхности и внутри тела, так и появление внутренней среды, объединяющей их воедино. На рис. 13.10 представлены различные варианты объединения клеток в надклеточные комплексы. Ясно, что только интеграция клеток в шаровидную структуру дает им возможность оказаться в разных условиях, дифференцироваться и взаимодействовать друг с другом
Рис. 13.10. Варианты объединения клеток в надклеточные образования:
I—нитевидная колония клеток, II—колония в виде однослойного пласта клеток, III—двуслойная колония клеток, IV—сферический многоклеточный организм с клетками разных типов
Родоначальником многоклеточных в настоящее время считают шаровидную колонию жгутиковых, половые клетки которых перемещались в глубь колонии, а соматические первично выполняли как функцию перемещения всей колонии в пространстве, так и пищеварения за счет переваривания фагоцитированных пищевых частиц, захваченных из воды.
Осуществление одной и той же клеткой функций движения и пищеварения малоэффективно. С этим связана последующая специализация клеток в направлении преимущественно пищеварения или обеспечения движения. Результатом является возникновение фагоцитобласта (внутреннего слоя амебовидных клеток, занимающихся пищеварением) и кинобласта (наружного слоя клеток со жгутиками, обеспечивающими движение).
Стойкая дифференцировка соматических клеток по функциям и строению, возникшая первоначально на фоне выделения двух клеточных слоев, явилась ключевым моментом в происхождении многоклеточных. Именно с двуслойностью связано появление жидкой внутренней среды, через которую клетки обмениваются химическими сигналами, а также дальнейшее обособление и специализация части поверхностных клеток в направлении восприятия внешних раздражителей и передача возбуждения на другие клетки, располагающиеся в отдалении от них. Таким образом возникают предпосылки к формированию нервной системы.
Гипотетический предок многоклеточных животных назван фагоцителлой (рис. 13.11). Он плавал в толще воды за счет биения ресничек кинобласта, а питался, захватывая взвешенные в среде частички пищи и переваривая их клетками фагоцитобласта. На более поздних этапах эволюции происходили многочисленные адаптации потомков фагоцителлы к многообразным условиям существования при оседании их на дно или при перемещении к поверхности, а также при изменении источников питания (захват мелких или крупных, живых или мертвых пищевых частиц).
Рис. 13.11. Этапы происхождения многоклеточности: I, II—сферические колонии жгутиковых, III—V—фагоцителлы разной степени сложности; 1—кинобласт, 2—рыхлый фагоцитобласт, 3—скопление чувствительных клеток на переднем конце тела, 4—ротовое отверстие, 5—половые клетки, 6—эпителизованный фагоцитобласт
Большое значение в эволюции потомков фагоцителлы имели также изменения характера движения: пассивное движение или прикрепленный образ жизни обусловливают лучевой тип симметрии, в то время как активное перемещение в определенном направлении предусматривает формирование двубоковой, или билатеральной, симметрии. В результате возникло огромное многообразие форм многоклеточных животных.
Представления о происхождении многоклеточных, изложенные здесь, являются развитием гипотезы И.И. Мечникова (1877—1880) о том, что многоклеточность возникла на базе шаровидных колоний жгутиковых, часть клеток которых иммигрировала внутрь для переваривания пищевых частиц, в результате чего оформилась дифференцировка на экто- и энтодерму.
Характерными признаками любого многоклеточного организма (в том числе и животного) являются качественные отличия групп клеток, слагающих тело, их дифференцировка и объединение в ткани и органы, выполняющие различные функции в целостном организме.
В многоклеточных организмах происходит постоянное обновление клеток: одни из них отмирают, а другие вновь образуются путем деления.
Индивидуальное развитие (онтогенез) многоклеточных начинается в большинстве случаев (исключая вегетативное размножение) с деления одной клетки (зиготы или споры).
По принципу организации тела многоклеточных разделяют на две группы:
а) лучистых, или двухслойных
б) билатеральных (двустороннесимметричных), или трехслойных. Лучистые характеризуется наличием нескольких плоскостей симметрии и радиальным расположением органов вокруг главной оси тела. Кроме того, при их онтогенезе (процессе индивидуального развития) образуются только два зародышевых листка — эктодерма и энтодерма. К лучистым относится тип Кишечнополостные. Двустороннесимметричные, к которым принадлежит большинство животных, обладают одной плоскостью симметрии, по обе стороны которой располагаются в парном числе различные органы. Кроме экто- и эндодермы, у них образуется третий зародышевый листок (мезодерма), за счет которого в онтогенезе развивается значительная часть внутренних органов. Иногда двусторонняя симметрия может нарушаться, и животные становятся асимметричными (брюхоногие моллюски) или радиальными (иглокожие). Однако все эти изменения симметрии носят вторичный характер и развиваются на основе первоначальной двусторонней симметрии.
Существует несколько гипотез происхождения многоклеточных.
1. Теория гастреи. Э.Геккель (1834-1919) предположил, что предковой формой многоклеточных были похожие на вольвокс колониальные простейшие, которые образовывали однослойную сферическую колонию, подобную бластуле (однослойной стадии развития зародыша). Дальнейшая эволюция шла аналогично инвагинации (впячиванию) в процессе эмбрионального развития. Однослойная стенка стала впячиваться внутрь, что привело к образованию двухслойного многоклеточного организмж подобного гаструле,— гастреи. Строение гастреи сходно со строением кишечиополостных, которых рассматривает согласно теории гастреи, как предковую форму многоклеточных животных.
2. Теория фагоцителлы. С Э.Геккелем был не согласен один вз крупнейших российских зоологов — И.И.Мечников. Он считал, что инвагинация — процесс вторичный. Изучая зародышевое развитие низших многоклеточных, И.И.Мечников показал, что у них гаструла никогда не образуется путем инвагинации. В процессе гаструляции часть поверхностных клеток бластулы иммигрирует в полость, в результате чего образуются два слоя — наружный (эктодерма) и внутренний (энтодерма) По мнению И.И.Мечникова, внутренний слой у предковой формы многоклеточных организмов образовался путем иммиграции специализирующихся на фагоцитозе клеток в полость колонии жгутиковых. Этот гипотетический организм, названный фагоцителлой, очень схож с личинкой многих губок и кишечнополостных. Дальнейшая специализация и дифференцировка клеток в процессе эволюции привела к появлению гамет; т.е. возникло разделение на соматические и половые клетки. С конца XIX века зоологам известно крошечное морское существо — трихоплакс, а в I973 году A.В Иванов установил, чго трихоплакс по своему строению соответствует гипотетической фагоцителле и должен быть выделен в особый тип животных (фагоцителлоподобных), заполняющих брешь между одноклеточными и многоклеточными организмами.
Билет 18