Методичка по биологии

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения

Российской Федерации

М.В. Букатин, О.Ю. Кузнецова, Д.А. Кавалерова, О.Д. Чулков

ОСНОВЫяяяяяя БИОЛОГИИ

Часть 1. (модуль1-3)

Учебное пособие для студентов ВУЗов, обучающихся по специальности: 201000 «Биотехнические системы и технологии»

Волгоград

2013

1

УДК 57 (371.64/69)

О 28

Рецензенты:

Заведующий кафедрой гистологии, эмбриологии, цитологии Волгоградского государственного медицинского университета, к.м.н. В.Л. Загребин Заведующий кафедрой нормальной физиологии Волгоградского государственного медицинского университета, д.м.н., профессор С.В. Клаучек

Печатается по решению УМК Медико-биологического факультета ВолгГМУ.

О28 М.В. Букатин, О.Ю. Кузнецова, Д.А. Кавалерова, О.Д. Чулков «Основы

биологии» часть 1 (модуль1-3): Учебное пособие.- Волгоград: КЦ «Эстамп»,

2013. – 56 с.

В учебном пособии представлены основные вопросы Модуля 1: Основные вехи развития биологии, ключевые понятия, методы и проблемы биологии; Модуля 2: Разнообразие органического мира; Модуля 3: Сущность жизни. Свойства и уровни организации живого. Молекулярно-генетический уровень организации жизни. Живые системы: клетки, организм.

Учебное пособие предназначено для организации и проведения лабораторных и практических занятий со студентами ВУЗов, обучающихся по специальности: 201000 «Биотехнические системы и технологии».

©М.В. Букатин, О.Ю. Кузнецова, Д.А. Кавалерова,

О.Д. Чулков, 2013

2

3

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ РАЗДЕЛЫ ДИСЦИПЛИНЫ В РАМКАХ ИЗУЧАЕМЫХ МОДУЛЕЙ.

МОДУЛЬ 1. Основные вехи развития биологии, ключевые понятия, методы и

проблемы биологии.

Этапы развития биологии. Первые сведения о живых существах в литературных памятниках античности и средневековья. Работы Аристотеля, Теофраста, Гай Плиния старшего, Авиценны. Развитие биологии в эпоху Возрождения (Леонардо да Винчи, А.Везалий, В.Гарвей, Д.Борелли). Система классификации К.Линнея. Развитие представлений о единстве органического мира. Работы К.Вольфа, К.Бэра, Т.Шванна, М.Шлейдена. Теория эволюции Ч.Дарвина. Законы наследственности Г.Менделя и зарождение генетики. Развитие биологии в 21 веке.

Применение биологических знаний. Биотехнология как новый этап в развитии материального производства. Общая биология как теоретическая основа медицины. Развитие и перспективы генетической инженерии.

Философские, социальные и этические проблемы общей биологии.

МОДУЛЬ 2. Разнообразие органического мира.

Принципы и методы классификации организмов.

Искусственные системы. Классификация организмов по хозяйственным признакам.

Естественные системы. Концепция вида Д.Рея. Система классификации К.Линнея. Работы Ж.Ламарка, Ж.Кювье, Э.Геккеля. Основные таксоны животных и растений. Эволюционное направление в систематике.

Методы классификации. Сравнительно-морфологический, сравнительноэмбриологический, кариологический, эколого-генетический методы классификации организмов. Использование современных информационных технологий в классификации.

Основные группы живых организмов.

Разнообразие и классификация вирусов. Общие свойства вирусов. Проис-

хождение вирусов. Вирусы животных, растений и бактерий. Вирусные болезни че-

ловека. Онкогенные вирусы. ВИЧ.

Доядерные организмы (Procaryota). Дробянки (Mychota). Особенности строения и генетическая организация. Архебактерии (Archaeobacteria). Метаногенные, галофильные и серозависимые бактерии. Настоящие бактерии (Bacteria). Морфологические формы бактерий. Роль в природе и значение для человека. Бактериальные болезни человека, животных и растений. Оксифотобактерии (Oxyphotobacteria). Цианобактерии. Хлороксибактерии.

Ядерные организмы (Eucaryota).

Растения (Plantae). Особенности строения и метаболизма растительной клетки. Багрянки (Rhodophyta). Места обитания. Размножение. Хозяйственное значение. Настоящие водоросли (Phycobionta). Видовое и морфологическое разнообразие. Зеленые водоросли. Диатомеи. Бурые водоросли. Роль в природе и значение для

4

человека. Высшие растения (Embryophyta). Расчленение тела. Чередование поколений. Основные отделы Высших растений. Направления эволюции.

Грибы (Fungi). Особенности строения и физиологических функций. Симбиотические отношения грибов с другими организмами. Настоящие грибы. Оомицеты. Лишайники. Роль в природе и значение для человека.

Животные (Animalia). Особенности строения и метаболизма животной клетки. Простейшие (Protozoa). Типы симметрии. Важнейшие органеллы. Способы размножения и чередование поколений. Типы простейших. Филогенетические связи. Роль в природе и значение для человека. Многоклеточные (Metazoa). Характеристика и филогенетические связи типов Многоклеточных. Особенности строения,

классификация и филогенетические связи Хордовых.

МОДУЛЬ 3. Сущность жизни. Свойства и уровни организации живого. Моле-

кулярно-генетический уровень организации жизни. Живые системы: клетки, организм.

Сущность и субстрат жизни.

Жизнь как особая форма существования материи. Субстрат жизни: нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки.

Свойства живого. Уровни организации живого: молекулярно-генетический, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.

Химический состав живых систем.

Элементарный состав клетки. Неорганические соединения. Значение воды для жизнедеятельности клеток. Органические соединения: белки, углеводы, липиды и липоиды, нуклеиновые кислоты.

Генетический материал.

Химическое строение и структура ДНК. Особенности строения нуклеотида. Первичная, вторичная и третичная структура ДНК. Локализация ДНК в клетке.

Ядерные (хромосомные) детерминанты наследственности. Вирусный геном. РНК- и ДНК-содержащие вирусы. Геном прокариот. Нуклеоид бактерий. Геном эукариотов. Сателлитная ДНК.

Репликация ДНК. Основные этапы репликации. Роль ферментов. Удвоение хромосом и их сегрегация в дочерние клетки.

Современная концепция гена. Дробимость гена. Сайт. Цистрон. Концепция «один ген – один фермент». Многокопийные гены. Кодирование РНК. Структура и свойства генетического кода. Триплетность. Неперекрываемость. Линейность. Вырожденность. Транскрипция и трансляция. Синтез РНК. Полимеразы. Процессинг. Сплайсинг. Трансляция. Роль транспортных РНК. Этапы полипептидного синтеза. Роль ферментов.

Действие генов. Генетический контроль экспрессии генов. Регулирующее действие белков. Индукция и репрессия ферментов. Модель оперона.

Мутации. Причины мутаций. Репарация повреждений ДНК.

Клетка — основная форма организации живой материи.

Методы изучения клеток. Микроскопическая техника. Световая, фазовоконтрастная, ультрафиолетовая, люминесцентная и электронная микроскопия. Цитохимические методы. Дифференциальное центрифугирование, хроматография и

5

электрофорез. Рентгеноструктурный анализ. Метод ядерного магнитного резонанса. Культивирование клеток на искусственных питательных средах.

Структурно-функциональная организация прокариотических и эукаритических клеток. Строение клеточной оболочки. Особенности генетического материала. Органоиды и включения.

Размножение клеток. Митотическое деление и его биологический смысл. Фазы митоза. Митотическая активность различных тканей. Прямое деление (амитоз).

Ткани животных и растений. Механизмы интеграции клеток в тканях. Информационные процессы в тканях. Основные типы тканей и особенности гистогенеза. Эволюция клеток и тканей.

Обмен веществ и энергии.

Анаболизм и катаболизм. Роль АТФ в энергетических процессах. Авто- и гетеротрофные организмы. Аэробное и анаэробное дыхание. Регуляция метаболизма.

Поступление веществ в клетки. Пассивный транспорт веществ в клетку. Катализируемая диффузия. Активный перенос. Эндоцитоз.

Фотосинтез. Планетарная роль фотосинтеза. Этапы фотосинтеза. Роль АТФ и НАДФ.

Хемосинтез. Основные группы хемосинтезирующих бактерий.

Подготовка энергии к использованию (дыхание). Основные стадии дыхания. Энергетический баланс анаэробного и аэробного дыхания. Окислительное фосфорилирование. Роль митохондрий.

Использование энергии в клетках. Основные виды биологической работы в клетках. Метаболизм на уровне организмов. Происхождение типов обмена.

Размножение, рост и индивидуальное развитие организмов.

Бесполое размножение. Репродуктивный процесс у вирусов. Вегетативное размножение. Деление. Множественное деление. Фрагментация. Почкование. Спорообразование. Вегетативное размножение культурных растений.

Половое размножение. Конъюгация и трансдукция как формы полового процесса. Копуляция у одноклеточных организмов. Гаметогенез. Основные этапы и биологический смысл мейоза. Сперматогенез и овогенез.

Осеменение и оплодотворение. Наружное и внутреннее осеменение. Зигогенез. Партеногенез (естественный и искусственный). Андрогенез. Гиногенез. Двойное оплодотворение у цветковых растений.

Чередование поколений. Гаплоидные и диплоидные фазы развития. Первичное чередование поколений. Половое и бесполое поколение. Гаметофит и спорофит у растений. Вторичное чередование поколений. Гетерогония. Метагенез.

Половой диморфизм. Биологический смысл полового диморфизма. Гермафродитизм. Истинный и ложный гермафродитизм у животных. Гермафродитизм у растений. Однодомные и двудомные растения.

Онтогенез, его типы и периодизация. Понятие об онтогенезе. Проэмбриональный этап развития. Эмбриональный период. Постэмбриональный онтогенез. Ювенильный и пубертатный периоды. Прямое и непрямое развитие. Биологический смысл метаморфоза. Старение и смерть. Продолжительность жизни. Особенности онтогенеза растений.

6

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ.

ЗАНЯТИЕ № 1 (Лабораторное). Тема: Методы биологических исследований. Микроскоп и правила работы с ним.

Цель: Ознакомиться с основными методами исследования в современной биологии. Знать строение микроскопа. Освоить технику микроскопирования. Научиться работать на малом и большом увеличении микроскопа. Уметь готовить временные микропрепараты, зарисовывать их в альбом, правильно вести протокол практической работы.

Перечень практических навыков.

1.Знать современные методы исследования структуры и состава биологических объектов.

2.Знать основные методы получения изображений биологических объектов и их частей: световую микроскопию и её модификации, электронную микроскопию и её виды, принцип и применение каждого из методов.

3.Знать строение механической, оптической и осветительной части светового микроскопа.

4.Уметь определять увеличение объекта.

5.Знать правила подготовки микроскопа к работе.

6.Освоить правила работы с микроскопом.

7.Знать методику приготовления временного препарата.

8.Научиться протоколировать и выполнять зарисовки объекта микроскопирования.

Основные вопросы, предлагаемые для обсуждения.

1.Основные методы биологических исследований, принципы и применение.

2.Основные виды микроскопии.

3.Основные части светового микроскопа.

4.Элементы механической части микроскопа.

5.Осветительная часть микроскопа.

6.Оптическая часть микроскопа.

7.Правила работы с микроскопом.

8.Методика приготовления временного микропрепарата.

Краткое содержание темы.

Правила оформления лабораторной работы!

Необходимым элементом микроскопического изучения объекта является его зарисовка в альбом. Это делают для того, чтобы лучше понять и закрепить в памяти строение объекта, форму отдельных структур, их взаимное расположение.

7

Для выполнения зарисовок необходимо иметь альбом (оптимальный формат 30x21 см) и карандаши (простой и цветные).

1.Поскольку рисование на занятиях по биологии не самоцель, а метод изучения объекта, при зарисовке следует придерживаться ряда правил. Рисовать можно только на одной стороне листа (нечетной странице), так как рисунки, сделанные на обеих сторонах, накладываются друг на друга и со временем портятся.

2.До начала зарисовки вверху страницы следует записать название темы. Если изучается зоологический объект, то надо указать название типа, подтипа и класса, к которому он относится в соответствии с Международной номенклатурой. Каждое из этих названий (тип, подтип, класс) нужно писать на отдельной строке по-русски и по-латыни.

3.Рисунок должен быть крупным, детали хорошо различимыми. На од-

ной странице не должно быть более 3— 4 рисунков, если объекты простые. Если

же объект сложный и крупный (вскрытая лягушка, вскрытая крыса), то на странице делают только один рисунок.

4.Правильное отражение соотношения размеров изучаемого объекта позволит выполнить и второе требование — показать индивидуальные особенности объекта, т.е. зарисовать не абстрактную клетку, амебу и т.д. Это очень важно, так как приучает будущего врача к наблюдательности, учит видеть наряду с общим индивидуальное.

5.Вокруг рисунка нужно обозначать контуры поля зрения микроскопа.

6.К каждому рисунку обязательно должны быть сделаны обозначения его отдельных частей. Надписи к рисунку выполняют строго в одну сторону – в сторону правой руки. Обозначение можно делать двумя способами:

а) к отдельным частям объекта ставят стрелочки и против каждой пишут название. Надписи должны был расположены параллельно друг другу;

б) к отдельным частям объекта ставят стрелочку и против каждой пишут определенную цифру, затем сбоку от рисунка или под ним столбиком по вертикали пишут цифры, а против цифр — название.

7.В конце занятия протоколы практической работы подписывает преподаватель. Если работа не соответствует предъявляемым требованиям, то ее необходимо переделать.

Основные этапы работы на лабораторном занятии:

1.Рассмотреть основные части микроскопа: механическую, оптическую, осветительную.

2.Освоить правила работы с микроскопом МБР -1.

Правила работы с микроскопом МБР-1.

При переносе микроскоп следует брать правой рукой за ручку штатива и поддерживать его снизу левой рукой!

1.Установите микроскоп так, чтобы его зеркало находилось против источника света.

2.Поставьте в рабочее положение объектив малого увеличения. Для этого поворачивайте револьвер до тех пор, пока нужный объектив не займет средин-

8

ное положение по отношению к тубусу и предметному столику (встанет над отверстием столика). Когда объектив занимает срединное (центрированное) положение, в револьвере срабатывает устройство — защелка; при этом слышится легкий щелчок, и револьвер фиксируется.

Запомните, что изучение любого объекта начинается с малого увеличе-

ния!

3.С помощью макрометрического винта поднимите объектив над столиком на высоту примерно 0,5 см. Откройте диафрагму и немного приподнимите конденсор.

4.Глядя в окуляр (левым глазом!), вращайте зеркало в разных направлениях до тех пор, пока поле зрения не будет освещено ярко и равномерно.

5.Положите на предметный столик приготовленный препарат покровным стеклом вверх, чтобы объект находился в центре отверстия предметного столика.

6.Под контролем зрения медленно опустите тубус с помощью макрометрического винта, чтобы объектив находился на расстоянии около 2 мм от препарата.

7.Смотрите в окуляр и одновременно медленно поднимайте тубус с помощью макрометрического винта до тех пор, пока в поле зрения не появится изображение объекта (фокусное расстояние для малого увеличения равно приблизительно 0,5 см).

8.Чтобы перейти к рассмотрению объекта при большом увеличении микроскопа, необходимо центрировать препарат, т.е. поместить объект или ту часть его, которую вы рассматриваете, в самый центр поля зрения, глядя в окуляр, пока объект не займет нужного положения. Если объект не будет центрирован, то при большом увеличении он останется вне поля зрения.

9.Вращая револьвер, поставьте над препаратом объектив большого увеличения. При этом слышится щелчок, и револьвер фиксируется.

10.Для тонкой фокусировки используйте микрометрический винт.

11.При зарисовке препарата смотрите в окуляр левым глазом, а в альбом

—правым.

12.Опустите тубус (глядя на него сбоку) так, чтобы нижняя линза объектива погрузилась в каплю иммерсионного масла.

13.Затем, глядя в окуляр, с помощью только микровинта следует осторожно (!) (фокусное расстояние для объектива х90 еще меньше, чем для объектива х40) немного опустить, а затем поднять объектив, чтобы получить четкое изображение.

Помните, что работа с иммерсионным объективом требует более интенсивного освещения поля зрения.

9

2. Освоить правила работы с микроскопом МБС -1.

Правила работы с микроскопом МБС-1

1.Установите микроскоп штативом к себе и расположите так, чтобы свет

от лампы падал через вырез в корпусе столика на зеркало.

2.Глядя в окуляры и вращая зеркало, добейтесь интенсивного и равномерного освещения поля зрения.

3.Поместите на стеклянную пластинку основания микроскопа постоянный микропрепарат.

4.Установите барабан в положение, соответствующее цифре 1 и, опуская или поднимая оптическую головку с помощью винта, получите изображение объекта.

5.Сдвигая или раздвигая руками окулярные трубки, добейтесь, чтобы два изображения слились в одно.

6.При настройке микроскопа необходимо следить, чтобы ось головки микроскопа совпадала с центром стеклянной пластинки, иначе может наблюдаться неравномерное освещение поля зрения.

При работе с микроскопом необходимо соблюдать осторожность. Так, при переносе микроскопа можно брать его только за штатив, нельзя без необходимости вынимать окуляры, крутить микрометрический винт и т.д. Протирать окуляры следует только мягкой тряпочкой, предназначенной специально для этой цели.

3.Приготовить временные микропрепараты.

Методика приготовления временного микропрепарата

Возьмите предметное стекло из чашки Петри, держа его за боковые грани, и положите на стол. Поместите в центр стекла объект, например кусочки волос длиной 1,5 см. Затем глазной пипеткой нанесите на объект (волосы) одну каплю воды.

После этого возьмите покровное стекло (обязательно за боковые грани, иначе оставите отпечатки пальцев на поверхности) и положите его сверху на предметное стекло. Рассмотрите готовый препарат под микроскопом.

3.1. Перекрест волос под микроскопом

Отрежьте ножницами часть волоса длиной примерно 3 см, разрежьте пополам и положите на предметное стекло, сделав, перекрест; капните из пипетки одну каплю, воды и накройте покровным стеклом. Рассмотрите временный препарат с помощью микроскопа МБР-1.

Поставьте в рабочее положение объектив малого увеличения. Найдите изображение и зарисуйте его в альбом, правильно отразив размеры наблюдаемых структур (толщина волос). Затем центрируйте препарат, т.е. поставьте так, чтобы перекрест волос был в центре поля зрения. Переместите в рабочее положение объектив большого увеличения и найдите изображение. Сравните размеры объекта при разных увеличениях и зарисуйте изображение в альбом, отразив имеющиеся различия.

10