Biologia_kospekt

РАЗУМОВА С.Т., ДРОНОВА О.О.

БІОЛОГІЯ

3

ББК Д 75

Р

УДК

Друкується за рішенням Вченої ради Одеського державного екологічного університету (протокол № від 2008 року)

Разумова С.Т., Дронова О.О.
Біологія
Конспект лекцій. – Одеса: Вид–во «	» , 2008. – 237 с.

У конспекті лекцій викладено основні положення біологічної науки, розкриті поняття клітинної теорії, генетики, походження людини. Наведений систематичний огляд органічного світу.

Конспект лекцій призначений для студентів напряму «Екологія» денної та заочної форми навчання, а також може бути корисним для екологічних факультетів сільськогосподарського профілю.

4

Одеський державний Екологічний університет, 2008

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РАЗУМОВА С.Т., ДРОНОВА О.О.

БІОЛОГІЯ

Конспект лекцій

Одеса – 2008

5

Із спілкування з природою ви візьмете стільки світла скільки захочете, і стільки мужності та сили, скільки вам треба.

Иоганн Готфрид Зьойме

Вступ

Біологія – наука про життя, його форми та закономірності. Назва її утворена шляхом поєднання двох грецьких слів „біос‖ – життя і „логос‖ – слово, вчення. Об’єктом вивчення біології є живі організми – віруси, бактерії, гриби, рослини, тварини; їх різноманітність, будова тіла, розвиток, поширення, еволюція та форми співіснування в екологічних системах.

Залежно від предмету вивчення біологію підрозділяють на окремі науки: мікробіологію – вона вивчає світ бактерій; ботаніку, предмети вивчення якої є будова та життєдіяльність рослин; зоологію – науку про тварин. В процесі розвитку науки сформувалися більш вузькі області: теріологія про ссавців, орнітологія – про птахів, іхтіологія – про риб, ентомологія – про комах, гельмінтологія – про черв’яків, протистологія – про найпростіших, альгологія – про водорості, мікологія – про гриби та багато інших зоологічних та ботанічних дисциплін. В загальних розділах цих дисциплін вивчаються властивості, притаманні усім організмам даної форми живого. Головні напрямки цих наук: морфологія – вчення про структуру об’єктів живої природи і фізіологія – наука про функції живих організмів. До числа загальних напрямків у біології відноситься генетика – наука про дві найбільш універсальні властивості живих об’єктів – спадковість і мінливість. Генетика – це методологічна основа всіх біологічних наук, має велике світоглядне значення, бо це теоретична основа еволюційного вчення, наука, яка відкриває шлях до пізнання суттєвості життя.

Можна виділити у біології дисципліни, поєднані з використанням визначних методів дослідження, наприклад біохімію, яка застосовує хімічні методи для розкриття закономірностей основних життєвих процесів; біофізику, яка застосовує знання фізичних закономірностей для аналізу процесів. Біохімічні та біофізичні напрямки досліджень часто тісно сплітаються між собою (в радіаційній біохімії) та з іншими біологічними дисциплінами. Так виникли прикордонні дисципліни: біоніка, космічна біологія, астробіологія та інші, які межують між собою.

У зв’язку з вивченням живого на різних рівнях його організації виділяють молекулярну біологію, яка досліджує життєві прояви на субклітинному, молекулярному рівні; цитологію і гістологію, які вивчають

6

клітини і тканини живих організмів; анатомію – науку про органи; а також біологію груп організмів – популяцій та видів.

Досягнення біології останнього часу обумовили виникнення принципово нових напрямків у науці, які стали самостійними розділами у комплексі біологічних дисциплін. Так розкриття молекулярної будови одиниць спадковості – генів стало основою для до виникнення генної інженерії – комплексу заходів, за допомогою яких можна створити організми з новими, у тому числі і такими, що не зустрічаються у природі, комбінаціями спадкових властивостей і ознак.

Із наведеного далеко не повного переліку біологічних дисциплін видно, яка велика і складна сучасна біологія і як міцно разом із суміжними науками вона пов’язана із практикою.

Кожна наука має свої методи дослідження. Основними методами у біології є: описовий, порівняльний, історичний та експериментальний.

На початку розвитку науки біології використовувався в першу чергу описовий метод, оснований на спостереженнях з наступним їх описом. На основі цього методу виникли морфологічні науки. Збирання та опис фактів і в теперішній час не втратили свого значення.

Порівняльний метод дозволяє шляхом порівняння вивчати схожість та різницю між організмами та їхніми частинами. На принципах цього методу заснована систематика, зроблені найвидатніші узагальнення, створена клітинна теорія органічного світу. Порівняльний метод переріс у історичний, але не втратив значення і зараз.

Історичний метод виявляє закономірності виникнення та розвитку організмів, утворення їхньої структури та функцій. Затвердженням у біології історичного методу наука вдячна англійському природодосліднику Ч. Дарвіну.

Експериментальний метод дослідження у біології пов’язаний з активним впливом на організм різних факторів шляхом постановки досліду у точно обчислювальних обставинах та шляхом зміни перебігу процесів у потрібному напрямку. Цей метод дозволяє вивчати явища ізольовано та дає змогу повторювати їх при відтворенні ідентичних умов. Експеримент забезпечує не тільки більш глибоке проникнення у суть явищ, але і безпосереднє оволодіння ними. Вищою формою експерименту є моделювання процесів, які вивчаються.

Однак в дослідницькій роботі відбувається взаємне проникнення методів дослідження різних дисциплін тому, що форма і функція організму, його окремих частин невіддільні. Живий організм представляє собою єдине ціле (його регулюючі механізми впливають на кожну його частину), а тому його будову і функції не можна розглядати окремо.

Загальна біологія є перш за все наукою про загальні закономірності життя і розвитку усіх організмів, які притаманні в тій чи іншій мірі від мікроорганізмів до людини. Сучасна прогресивна біологія розглядає

7

організм у єдності з навколишнім середовищем існування, з умовами життя; вивчає його в природній обстановці, у взаємовідносинах з іншими організмами, з якими він прямо або побічно зв’язаний.

Практичне застосування досягнень сучасної біології дозволяє одержувати промисловим шляхом необхідні людині біологічно активні речовини. Використання законів спадковості та мінливості лежить у основі створення нових високопродуктивних домашніх тварин та сортів культурних рослин. Вчені нашої країни вивели сотні сортів зернових, бобових, олійних та інших культур, які відрізняються від своїх попередників більш високою продуктивністю, стійкістю до шкідників та хвороб і іншими корисними якостями. На основі цих знань ведеться селекція мікроорганізмів, які створюють антибіотики. Вчені отримали штами мікроорганізмів, які дають вихід препаратів у сотні разів більший, ніж вихідні форми. У подальшому практичне застосовування досягнень біології ще більш зросте. Це пов’язано з швидкими темпами росту населення планети, а також з постійним збільшенням чисельності міського населення, яке безпосередньо не бере участі у сільськогосподарському виробництві. У такій ситуації основою підвищення харчових ресурсів може бути інтенсифікація сільського господарства. Важливу роль у цьому процесі буде відігравати виведення нових високопродуктивних форм мікроорганізмів, рослин, тварин; раціональне, науково обґрунтоване використання природних багатств, створення безвідходних технологічних процесів. Велике значення у біології надається вирішенню проблем, пов'язаних із застосуванням механізмів біосинтезу білків та фотосинтезу, які відкривають шлях до отримання органічних харчових речовин поза тваринними та рослинними організмами.

Конспект лекцій розраховано на студентів екологічних факультетів університету, а також може бути корисним для екологічних факультетів сільськогосподарського профілю.

Автори висловлюють подяку начальнику редакційного відділу ОДЕКУ Соколенко О.Д. за допомогу у редагуванні конспекту, а також асистенту кафедри Сіряк Н.В за допомогу у оформленні конспекту.

Вступ, перший та другий розділи конспекту були складені доцентом кафедри агрометеорології та агрометеорологічних прогнозів Разумовою С.Т., третій розділ – доцентом кафедри Дроновою О.О..

8

РОЗДІЛ 1

ЗАГАЛЬНА БІОЛОГІЯ

1.1 Різноманітність живого світу

Світ живих істот, включаючи людину, являє собою біологічні системи дуже різноманітної форми, які відрізняються за розмірами, за масою, за складністю внутрішньої будови. Різноманітність форм виникла у результаті тривалої еволюції організмів в умовах життя, які постійно змінюються. Життя на Землі представлено доядерними та ядерними істотами, а також доклітинними, одноклітинними та багатоклітинними організмами.

Усі живі організми, за винятком вірусів, складаються із клітин. Віруси

– це неклітинні форми життя, вони настільки малі, що лише в кілька разів перевищують розміри великих молекул білків. Вони легко проходять крізь пори спеціальних фільтрів, що затримують бактерії і клітини багатоклітинних організмів. Їх відкрив російський фізіолог рослин Д.І.Івановський у 1892 році. Ця доклітинна форма життя складається із молекули ДНК і молекул білка, які створюють своєрідну оболонку навколо молекули нуклеїнової кислоти. Ці істоти не здатні самостійно синтезувати складові частини, їз яких вони утворені (ДНК і білки). І тільки потрапивши у клітину, віруси змінюють, перебудовують обмін речовин у ній, після чого клітина синтезує молекули нових вірусів. Взагалі віруси – збудники різних хвороб людини, тварин і рослин.

Усі інші живі організми складаються із клітин. Клітина може бути окремим організмом, а також елементарною складовою частиною багатоклітинного організму. Вона буває просто упорядкована, як бактеріальна клітина, або значно більш складною, як клітина одноклітинної тварини – Найпростіших. Серед одноклітинних організмів відзначають доядерні форми (прокаріоти) та ядерні (еукаріоти). До прокаріот відносяться бактерії і синьо-зелені водорості, їхні клітини не мають чітко виявленого ядра, відокремленого оболонкою від цитоплазми. Ядерна речовина розсіяна у цитоплазмі, вона складається із сукупності нуклеїнових кислот і білків. Прокаріоти відносять до царства Дроб'янки. Усі інші існуючі організми (еукаріоти) мають у своїх клітинах чітко виявлене ядро, одне або декілька.

Клітина одноклітинного організму універсальна, тобто виконує усі життєві функції. У багатоклітинного організму клітини спеціалізовані, позбавлені універсальності, тобто можуть виконувати тільки одну якунебудь функцію і неспроможні самостійно існувати поза організмом. Об'єднання клітин, їхня взаємодія формує цілісний організм, якому належать особливі якості.

9

1.2 Рівні організації живої матерії

Вивчення організації живої матерії починається з вияснення будови і властивостей складних органічних молекул. Клітини багатоклітинних організмів входять до складу тканин. Дві або декілька тканин утворюють орган. Складно утворений багатоклітинний організм, який має у своєму складі тканини і органи, у той же час являє собою елементарну одиницю біологічного виду. Взаємодіючи між собою, види складають екологічну систему, яка у свою чергу, є одним із компонентів біосфери. Відповідно до цього розподіляються декілька рівнів організації живої матерії.

Молекулярний. Кожна жива система, як би складно не була б організована, проявляється на рівні функціонування біологічних макромолекул, біополімерів: нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів та інших важливих органічних речовин. Молекулярний рівень організації живої матерії є предметом вивчення молекулярної біології, яка вивчає будову молекул білків, нуклеїнових кислот, жирів та інших речовин та їхню роль у життєдіяльності клітини. З цього рівня починаються важливіші процеси життєдіяльності організму: обмін речовин та перетворення енергії, передача спадкової інформації. На цьому рівні досягнуто великих практичних успіхів у галузі біотехнології і генної інженерії.

Клітинний. Клітина є структурна та функціональна одиниця, а також одиниця розвитку усіх живих організмів, які мешкають на Землі. Вільноживучих неклітинних форм життя не існує. Біологія клітин (цитологія) – один з основних розділів сучасної біологічної науки, включає проблеми морфологічної організації клітини, спеціалізації клітин у ході розвитку, функції клітинної мембрани, механізмів і регулювання поділу клітин. Ці проблеми мають особливо важливе значення для медицини, зокрема становлять основу проблеми раку.

На рівні субклітинних, або надмолекулярних, структур вивчають будову і функції органел (хромосом, мітохондрій, сферосом, лізосом, апарату Гольджи, ендоплазматичної мережі тощо), а також інших частин клітини (включень).

Тканинний. Тканина – це сукупність клітин, що мають спільне походження, однакову форму і виконують одну і ту саму функцію; це стійкий, тобто закономірно повторюваний, комплекс клітин, які подібні за походженням, будовою і пристосовані до виконання однієї або декількох функцій. Між клітинами в деяких тканинах знаходиться міжклітинна речовина, яка не має клітинної будови.

Органний. Орган – це система тканин, пов’язаних спільністю походження й розвитку, що має певну форму, топографію і функцію. Кожний орган складається з різних тканин, які структурно і функціонально взаємопов’язані. Проте в кожному органі переважає якийсь один тип

10

тканини. В багатоклітинних організмах багато органів доповнюють один одного, так відбувається формування системи органів. Усі системи органів функціонально взаємопов’язані. Органи, що утворюють ту чи іншу систему розвиваються із спільного зародка, виконують одну функцію і топографічно сполучені між собою. Так в організмі людини розрізняють такі системи органів: апарат руху, травну, нервову, ендокринну, дихання, серцево-судинну, сечову, статеву і систему органів чуття.

На рівні організму вивчають функціонування живої матерії як єдине ціле. Це цілісна система органів, спеціалізованих для виконання різних функцій. На цьому рівні вивчають особину – організм як єдине ціле, елементарну одиницю життя, оскільки поза особинами в природі життя не існує. При цьому вивчають характерні ознаки будови організму, фізіологічні процеси та нейрогуморальну регуляцію їх.

Популяційно-видовий. Сукупність організмів одного й того ж виду об’єднана загальним місцем мешкання, утворює популяцію як систему надорганізменого порядку. У цій системі здійснюються найпростіші, елементарні еволюційні перетворення. Так всередині популяції відбувається боротьба за існування (природний добір), у результаті чого виживають особини, які найкраще пристосовані до даних умов існування. На популяційно-видовому рівні є фактори, що впливають на чисельність популяцій, проблеми збереження зникаючих видів, динаміку генетичного складу популяцій, дію факторів мікроеволюції. Деякі проблеми популяційної біології, як контроль чисельності видів, що завдають шкоди господарству, підтримання оптимальної чисельності популяцій, що використовуються в господарстві і оберігаються, є важливим для господарської діяльності людини.

Біогеоценотичний. Біогеоценоз – сукупність організмів різних та різної складності організації з усіма факторами середовища їх мешкання. Організми в біогеоценозі пов’язані міжвидовими та внутрішньовидовими відносинами. Біогеоценоз – не проста сукупність живих організмів та інших природних тіл, а особлива, узгоджено організована форма існування організмів і навколишнього середовища, що здатна до саморегуляції та самовідтворення. Кожний біогеоценоз характеризується власним кругообігом речовин, трансформацією сонячної енергії і продуктивністю біомаси. Провідними на цьому рівні є проблеми взаємовідносин організмів у біоценозах, умови, які визначають їх чисельність і продуктивність біоценозів, стійкість їх і роль впливу людини на збереження біоценозів та їхніх комплексів.

Біосферний. Біосфера – система вищого порядку, яка охоплює усі явища життя на нашій планеті. Біосфера – це термодинамічна оболонка земної кулі з температурою від +50 до -50 0С і тиском близько 1 атм (~100кПа), склад, структура та енергетика якої визначається сукупною діяльністю живих організмів. Вона займає частину земної кори

11

(літосфери), атмосфери, гідросфери. Біосфера існує з часу виникнення життя на Землі. Умови, придатні для життя в атмосфері, зберігаються в межах до 22 км над рівнем моря. В океанах нижня межа життя сягає глибини понад 10 км, на суходолі (літосфера) живі організми проникають на глибину 4-5 км. Саме в біосфері відбувається перетворення сонячної енергії і нагромадження її в органічній речовині, біогенна міграція атомів. На цьому рівні сучасна біологія вирішує глобальні проблеми, наприклад визначення інтенсивності утворення вільного кисню рослинним покривом Землі або зміни концентрації вуглекислого газу в атмосфері, пов’язаної з діяльністю людини.

Рівні організації живої матерії – це відносно гомогенні біологічні системи, для яких характерний певний тип взаємодії елементів, просторовий і часовий масштаби процесів.

З ускладненням організації нижчий рівень входить до складу наступного вищого рівня і т.д. Так здійснюється принцип ієрархії, властивий живій матерії. Ідея рівнів організації живого дає змогу пояснити цілісність і якісну своєрідність біологічних систем.

1.3 Властивості живих систем

Усім рівням організації живої природи властиві риси, як відрізняють її від неживої природи. Розглянемо загальні, характерні для усього живого властивості та їх різницю від схожих процесів, які відбуваються у неживій природі.

Єдність хімічного складу. До складу живих організмів входять ті ж самі хімічні елементи, що і до об’єктів неживої природи. Але співвідношення різних елементів у живому та неживому неоднакове. Елементарний склад неживої природи поряд з киснем (О) становить в основному Si, Fe, Mg, Al та інші. В живих організмах 95-98 % загальної маси їх припадає на 4 елементи: С, О, N, Н. Це органогенні елементи. Водночас в живих організмах не виявлено жодного елемента, який би не зустрічався в тілах неживої природи. Цим підтверджується спільність живої і неживої природи.

Обмін речовин. Усі живі організми здатні до обміну речовин з навколишнім середовищем, поглинаючи з нього елементи, необхідні для живлення, та виділяючи в нього продукти життєдіяльності. Відзначимо, що у неживій природі також існує обмін речовинами. Однак при небіологічному кругообігу речовин вони переносяться з одного місця у інше або змінюється їхній агрегатний стан: змив ґрунту, перетворення води на пару чи лід. На відміну від обмінних процесів у неживій природі, у живих організмів вони мають якісно інший рівень. У кругообігу органічних речовин самими суттєвими стали процеси синтезу і розпаду. Живі організми вилучають із довкілля різні речовини і внаслідок цілого

12