Живые организмы

Неклеточные Клеточные

Вирусы Прокариоты Эукариоты

(доядерные) (ядерные)

Бактерии Грибы Растения Животные
Признаки живой природы:

1. 
   Обмен веществ и энергии (дыхание, питание, выделение)
2. 
   Наследственность и изменчивость
3. 
   Самовоспроизведение (размножение)
4. 
   Индивидуальное развитие (онтогенез), историческое развитие (филогенез)
5. 
   Движение
6. 
   Состав – органические (белки, жиры, углеводы, НК) и неорганические вещества (вода и минеральные соли).

БОТАНИКА И ЗООЛОГИЯ
Характеристика царств живой природы

1. Вирусы (открыл ученый Ивановский в 1892 году на вирусе табачной мозаики)

2. Не имеют клеточного строения, вне клетки – в виде кристалла.

3. Строение – ДНК или РНК – снаружи белковая оболочка – капсид, реже имеется углеводно-липидная оболочка (у вируса герпеса и гриппа).

4. Сходство с живыми организмами – размножаются (удвоение ДНК), характерна наследственность и изменчивость.

5
. Сходство вирусов с неживыми системами - не делятся, не растут, не характерен обмен веществ, нет собственного механизма синтеза белка.

2. Бактерии (Левенгук в 1683 – бактерии зубного налета)

1. одноклеточные или колониальные организмы, не имеющие оформленного ядра

2. не имеют сложных органоидов – ЭПС, митохондрий, аппарата Гольджи, пластид.

3. по форме разнообразные – кокки (круглые), спириллы, бациллы (палочковидные), вирионы (в виде дуги).

4. имеют клеточную стенку из белка муреина и слизистую капсулу из полисахаридов, в цитоплазме расположен нуклеоид с кольцевой молекулой ДНК, имеются рибосомы.

5. размножаются делением пополам каждые 20-30 минут, при неблагоприятных условиях образуют споры (толстая оболочка)

6. питание – автотрофы (синтезируют органические вещества из неорганических): а)фототрофы (в процессе фотосинтеза) – цианеи, б)хемотрофы (в процессе химических реакций) – железобактерии;

гетеротрофы (используют готовые органические вещества): а)сапрофиты (питаются мертвыми органическими остатками) – бактерии гниения и брожения,

б)симбионты (органические вещества получают в результате симбиоза с другими организмами) – клубеньковые бактерии бобовых (они усваивают азот из воздуха и передают его бобовым растениям, те взамен обеспечивают их орг.веществами),

7. Значение бактерий – положительное – клубеньковые бактерии обогащают почву нитратами и нитритами, усваивая азот из воздуха; бактерии гниения утилизируют погибшие организмы; молочнокислые бактерии используют в промышленности для получения кефира, йогурта, силоса, кормовых белков, в обработке кожи.

Отрицательное – вызывают порчу продуктов (гнилостные бактерии), возбудители опасных заболеваний - пневмония, чума, холера.
3. Грибы

1. Особенности строения – тело состоит из гиф, образующих мицелий (грибницу), размножаются почкованием (дрожжи), спорами, вегетативно (частями мицелия), половым путем.

2. Сходство с растениями – неподвижны, всасывают питательные вещества всей поверхностью тела, неограниченный рост, имеется клеточная стенка (состоит их хитина), размножаются спорами.

3. Сходство с животными – нет хлорофилла, гетеротрофы (питаются органическими веществами), запасное питательное вещество – гликоген.

5. Виды грибов – см. пункт 6- «питание».

4. Растения

1.Неподвижны – имеют прочную клеточную стенку из целлюлозы, мало митохондрий.

2. Неограниченный рост – растут всю жизнь

3. Запасное питательное вещество – крахмал

4. Питание – автотрофы (питаются неорганическими веществами за счет фотосинтеза). Питание с помощью всасывания всей поверхностью тела.

5. Особенности растительной клетки – 1.наличие пластид (хлоропластов – функция фотосинтеза, лейкопластов – накопление веществ, хромопластов – обеспечивают окраску плодов, цветов); 2. крупных вакуолей (запасающая функция); 3. мало митохондрий; 4. имеется клеточная стенка из целлюлозы; 5. нет микротрубочек.

5. Животные

1. Подвижные в большей своей части – много митохондрий, тонкая оболочка.

2. Ограниченный рост – до половой зрелости

3. Запасное вещество – гликоген (в мышцах и печени)

5. Особенности животной клетки – нет пластид, вакуоли мелкие – выполняют выделительную функцию у водных животных, тонкая оболочка, микротрубочки – для построения веретена деления при митозе и мейозе.

6. характерна раздражимость, рефлекс.
Классификация растений и животных. Систематика.

Классификация – распределение организмов по группам.

Систематика – наука, занимающаяся классификацией

Усложнение растений в ходе эволюции на Земле:

Водоросли→ мхи→ плауны→ хвощи→ папоротники→ голосеменные → покрытосеменные

Направления эволюции растений - ароморфозы

1. 
   Появление многоклеточности (водоросли→цветковые)
2. 
   Выход на сушу (мхи→цветковые)
3. 
   Появление тканей (покровной, проводящей, механической, фотосинтезирующей) и органов (корней, стеблей, листьев): мхи→цветковые.
4. 
   Сокращение зависимости оплодотворения от наличия воды (голосеменные, цветковые)
5. 
   Появление цветка и плода (цветковые)

Характеристика отделов растений (500 000 видов)

1.Водоросли. Низшие споровые растения.

1. Одноклеточные (хлорелла, хламидомонада) и многоклеточные организмы (спирогира, ламинария, улотрикс), некоторые образуют колонии (вольвокс).

2. Тело – слоевище (нет деления на органы и ткани)

3. Имеется хроматофоры с хлорофиллом – обеспечивают фотосинтез.

4. Бурые и красные водоросли имеют вместо корней ризоиды – функция закрепления в почве.

5. Размножаются бесполым путем – спорами и половым путем – гаметами.

6. Значение: из красных водорослей получают вещество агар-агар; бурые водоросли – ламинария-морская капуста – в пищевой промышленности, корм скоту, хламидомонада вызывает цветение водоемов.

2. Лишайники.

1. низшие растения, состоят из симбиоза гриба и водоросли. Тело – слоевище.

2. питание – автогетеротрофы: водоросль – автотрофна, дает грибу в процессе фотосинтеза органические вещества, гриб – гетеротрофен, дает водоросли воду и минеральные вещества, защищает ее от высыхания.

3. Размножение – бесполым путем – вегетативно – участками слоевища, половым путем.

4. Лишайники – индикаторы чистоты (растут только в экологически чистых районах).

5. Лишайники – «пионеры жизни» - заселяют самые трудно доступные места, обогащают почву минеральными солями и органикой – удобряют, после лишайников могут произрастать и другие растения.

6. Виды – олений мох, ксантория, цетрария. (кустистые, накипные, листоватые).

Высшие споровые растения.

3.Моховидные.

1. Листостебельные споровые растения, не имеющие корней (или имеют ризоиды)

2. Ткани и органы мало дифференцированы – нет проводящей системы и плохо развита механическая ткань.

3. Характерна смена поколений: полового – гаметофита (гаплоидное) и бесполого – спорофита (диплоидное). Гаметофит преобладает – это само листостебельное растение, спорофит живет за счет гаметофита и представлен коробочкой на ножке (на женском растении).

4. Размножаются спорами и половым путем. Для оплодотворения необходима вода, как и у всех споровых растений.

5. Виды – кукушкин лен, сфагнум
4. Папоротникообразные (Хвощи, плауны, папоротники)

1. Тело дифференцировано на стебель, листья и корень или корневище.

2. Хорошо развита механическая и проводящая ткани – папоротники выше и кустистее, чем мхи.

3. Характерна смена поколений с преобладанием спорофита (само растение), гаметофит маленький - представлен заростком (самостоятельное растение сердцевидной формы, на нем созревают гаметы). Для оплодотворения необходима вода.

4. Размножение – половое и бесполое – спорами, корневищем – вегетативное.

Высшие семенные растения

1. Вечнозеленые (реже листопадные) деревья или кустарники с прямостоячими многолетними стеблями и стержневыми корневыми системами.

2. В древесине вместо сосудов расположены трахеиды, много смоляных ходов

3. Листья игольчатой формы

4. Редукция гаметофита, преобладает спорофит (диплоидный). Вода для оплодотворения не нужна.

5. Размножение – семенами (половое). Семена лежат голо на чешуйках шишек. Семя имеет кожуру, зародыш и питательную ткань – эндосперм (гаплоидный). На 1 ветке созревают шишки 2 видов: женские и мужские.

6. Виды – можжевельник, сосна, туя, ель, пихта, лиственница.
6. Цветковые. (Покрытосеменные)

Покрытосеменные растения – эволюционно самая молодая и самая многочисленная группа растений – 250 тыс видов, которые произрастают во всех климатических зонах. Широкое распространение и разнообразие строения цветковых связано с приобретением ими ряда прогрессивных черт:

1.Формирование цветка, совмещающего функции полового и бесполого размножения.

2.Образование в составе цветка завязи, заключающий в себя семяпочки и предохраняющий их от действия неблагоприятных условий.

3.Двойное оплодотворение, в результате которого образуется питательный триплоидный эндосперм.

4.Запасающая питательная ткань в составе плода.

5.Усложнение и высокая степень дифференциации вегетативных органов и тканей.
Семейства цветковых (покрытосеменных). Классы.

Класс двудольные

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА БИОЛОГИИ

В. Э. БУТВИЛОВСКИЙ , Р. Г. ЗАЯЦ , В. В. ДАВЫДОВ

МЕДИЦИНСКАЯ БИОЛОГИЯ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для иностранных студентов учреждений

высшего образования по медицинским специальностям

Минск БГМУ 2014

УДК 57-054.6 (075.8)

ББК 28.0 я73 Б93

Р е ц е н з е н т ы: д-р мед. наук, проф., зав. каф медицинской биологии и общей генетики Витебского государственного медицинского университета В. Я. Бекиш; канд. мед. наук, доц., зав. каф. медицинской биологии и общей генетики Гродненского государственного медицинского университета Л. С. Кизюкевич

Бутвиловский, В. Э.

Б93 Медицинская биология: учеб. пособие / В. Э. Бутвиловский, Р. Г. Заяц, В. В. Давыдов. – Минск: БГМУ, 2014. – 240 с.

ISBN 978-985-528-996-9.

Издание содержит теоретический материал 31-й темы практических занятий по медицинской биологии и общей генетике, термины, открытые и закрытые тесты.

Предназначено для иностранных студентов 1-го курса, может быть использовано студентами всех факультетов.

ВВЕДЕНИЕ ЧЕЛОВЕК В СИСТЕМЕ ПРИРОДЫ

1. Происхождение жизни. Доказательства эволюции органического мира.

Жизнь - это способ существованиябелковых тел , которые постоянно обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Биохимическим субстратом жизни (ее материальной основой) является комплекс белков и нуклеиновых кислот.

Гипотезы происхождения жизни:

– креационизма - жизнь была создана Богом;

– самозарождения - жизнь возникала неоднократно из неживого вещества;

– стационарного состояния - жизнь существовала всегда;

– панспермии - жизнь занесена на Землю с других планет;

– биохимические - жизнь возникла на Земле в результате биохимической эволюции.

Доказательствами эволюции органического мира являются: палеонтологические (переходные формы, филогенетические ряды); сравнительноанатомические (одинаковый план строения хордовых животных; гомологичные органы, рудименты и атавизмы); эмбриологические (закон зародышевого сходства, биогенетический закон); молекулярно-генетические данные.

2. Свойства и признаки живого. Уровни организации живого.

Фундаментальные свойства живого:

саморегуляция - способность изменять свою жизнедеятельность

в соответствии с изменением условий окружающей среды;

самообновление - способность синтезировать, восстанавливать или заменять свои структурно-функциональные компоненты;

самовоспроизведение - способность создавать себе подобных, увеличивая численность вида и обеспечивая преемственность в ряду поколений.

Эти свойства определяют признаки живого :

обмен веществ и энергии;

наследственность - обеспечивает передачу признаков из поколения в поколение при репродукции;

изменчивость - вызывает появление новых признаков при изменении условий среды;

репродукция (размножение);

онтогенез (индивидуальное развитие) ифилогенез (историческое развитие видов);

рост - увеличение размеров, объема и массы организмов;

раздражимость - ответная реакция организмов на действие факторов окружающей среды;

гомеостаз - способность поддерживать постоянство внутренней среды и структурной организации;

целостность и дискретность (делимость на составляющие).

Уровни организации живой материи:

Молекулярно - генетический - элементарными единицами этого

уровня являются макромолекулы (ДНК, РНК, белки, углеводы и др.)Клеточный - все живые организмы состоят из клеток.Клетка явля-

ется наименьшей структурно-функциональной и генетической единицей живого. В ней содержится генетическая информация о развитии целого организма и проходят все процессы жизнедеятельности.

Тканевый - группа клеток одинаковой структуры, выполняющих одинаковые функции, составляетткань .

Организменный. Организм - элементарная единица жизни. Организменный уровень характеризуется процессами онтогенеза (индивидуального развития), его нервной и гуморальной регуляцией.

Популяционно - видовой . Группа особей одного вида, длительно занимающих определенную территорию, свободно скрещивающихся и относительно изолированных от других групп особей того же вида, составляетпопуляцию . Популяция является элементарной единицей эволюции. Несколько популяций, особи которых могут скрещиваться и давать плодовитое потомство образуютвид .

Биосферно- биогеоценотический. Биогеоценоз - это группа популя-

ций организмов разных видов, исторически связанных между собой и с определенной территорией проживания. Между популяциями и окружающей средой идет постоянный обмен веществами, энергией и информацией. В сумме биогеоценозы составляют биосферу - область планеты, которую занимают живые организмы.

3. Методы изучения живого (методы биологических наук).

Целостное представление о живой материи можно получить только при комплексном исследовании проявлений жизни на всех уровнях организации. Этим занимается биология , включающая в себя ряд специальных дисциплин (биологических наук ).

Биохимия, биофизика и молекулярная биология изучают проявления жизни на молекулярно-генетическом уровне;цитология - на субклеточном и клеточном уровнях;гистология - на тканевом.

Закономерности индивидуального развития и строение организмов изучают эмбриология ,анатомия ,физиология ; историческое развитие живых систем - эволюционное учение, палеобиология. Популяционновидовой, биогеоценотический и биосферный уровни исследуют генетика, биогеография, систематика, экология и др. Все биологические дисциплины

тесно взаимосвязаны и служат основой для развития различных отраслей народного хозяйства, селекции, ветеринарии, медицины. При этом каждая наука для решения стоящих перед ней задач использует большой арсенал методов: наблюдения, описания, моделирования, экспериментирования.

4. Значение биологии для медицины.

5. Положение человека в системе животного мира.

Как биологический вид человек относится к типу Хордовые , подтипу

Позвоночные, классу Млекопитающие, подклассу Плацентарные, отряду

Приматы , подотрядуЧеловекообразные (узконосые обезьяны), семействуГоминиды (люди), родуHomo (человек), видуHomo sapiens (человек разумный).

6. Человек как биологическое и социальное существо.

В человеке объединяются признаки как биологического, так и социального существа.

Только для вида Homo sapiens характерны следующиепризнаки : прямохождение, высокая степень противопоставления большого пальца на руке, S-образная форма позвоночника, объем головного мозга 1100–1700 см3 , подбородочный выступ, абстрактное мышление, речь, изготовление орудий труда и др. Прогресс человечества подчиняется социальным законам - законам общества. Жизнь человека вне общества невозможна. В развитии человека большую роль сыграли социальные факторы. Знания, умения и духовные ценности передаются в обществе посредством обучения и воспитания молодого поколения.

Основные термины и понятия:

Саморегуляция - способность организма изменять параметры жизнедеятельности в соответствии с изменением условий окружающей среды.

Самообновление - способность организма восстанавливать или заменять свои структурно-функциональные компоненты.

Самовоспроизведение - способность организма создавать себе подобных.

Систематическое положение Homo sapiens - положение человека в системе животного мира.

Филогенетическое древо - схема в форме дерева, которая отражает родственные и исторические связи между систематическими группами.

ТЕМА № 1 УВЕЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ КЛЕТКИ

1. Предмет, задачи и методы цитологии.

Цитология (лат. cytos - клетка, logos - наука) - наука, которая изучает строение, химический состав и функции клеток, их размножение, развитие и взаимодействие в многоклеточном организме.

Задачи цитологии:

изучение строения и функции клеток и их компонентов (клеточных мембран, структурных компонентов цитоплазмы и ядра);

изучение деления клеток и возможностей их приспособления к изменениям условий окружающей среды;

изучение взаимоотношений между клетками в многоклеточном организме.

Методы цитологии:

1. Микроскопические - с их помощью изучают морфологию клеток и их компонентов (методы световой и электронной микроскопии).

2. Цитохимические (гистохимические)- позволяют определять хи-

мический состав или локализацию веществ в клетке (в срезах тканей). Они основаны на применении специальных красителей.

3. Биохимические - применяются для изучения химического состава клеток, определения концентрации веществ в тканях. Основаны на свойстве различных биохимических соединений поглощать световые волны определенной длины.

4. Метод дифференциального центрифугирования позволяет изучать состав и свойства органелл клетки: образец ткани измельчают до разрушения клеточных оболочек, помещают в центрифугу, где он разделяется на отдельные фракции соответственно массе.

дении в клетку радиоактивных изотопов. Молекулы, меченные радиоактивными изотопами (3 H,32 P,14 C), участвуют в реакциях обмена. По излучению, которое регистрируют с помощью фотопластинки, определяют их локализацию, перемещение, накопление и выведение.

6. Рентгеноструктурный анализ проводят для изучения пространственной структуры и расположения молекул в веществе. Этот метод основан на дифракции R-лучей при прохождении через кристалл вещества.

2. Увеличительные приборы и их назначение. Устройство светового микроскопа.

Биологический микроскоп предназначен для исследования микрообъектов в потоке проходящего света. Световой микроскоп (рис. 1) состоит из 3 частей: механической, осветительной и оптической.

Рис. 1 . Устройство световых микроскопов:А - МИКМЕД-1; Б - БИОЛАМ:

1 - окуляр,2 - тубус,3 - тубусодержатель,4 - макрометрический винт,5 - микрометрический винт,6 - подставка,7 - зеркало,8 - конденсор, ирисовая диафрагма и светофильтр,9 - предметный столик,10 - револьверное устройство,11 - объектив,12 - корпус коллекторной линзы,13 - патрон с лампой,14 - источник электропитания

Механическая часть включает штатив, предметный столик, макрометрический винт, микрометрический винт, тубус и револьвер.

Штатив состоит из тубусодержателя (колонки) и основания. На колонке расположены:

револьвер - вращающийся механизм для смены объективов;

тубус - полая трубка, в которую вставляется окуляр;

система винтов грубой (макрометрической) и тонкой (микрометрической) настройки микроскопа;

предметный столик для размещения объекта исследования. Осветительная часть включает зеркало (или электрический освети-

тель) и конденсор.

Зеркало микроскопа двухстороннее - с плоской и вогнутой поверхностями. Вогнутая поверхность применяется при недостаточно ярком освещении, а плоская - при интенсивном освещении.

Конденсор - это система линз, собирающая световые лучи в пучок. Диаметр светового пучка можно регулировать, изменяя просвет диафрагмы с помощью специального рычажка.

Оптическая система состоит из окуляра и объективов.

Окуляр (от греч. oculus - глаз) - система линз, направленная к глазу. На оправе окуляра указано увеличение. В учебном микроскопе используются сменные окуляры с увеличением 7×, 10× и 15×.

Объектив расположен у нижнего конца тубуса на нижней пластинке револьвера - это система линз, направленная на объект исследования. Используется 2 вида объективов: малого увеличения (8×) и большого (40×).

Общее увеличение микроскопа определяется путем умножения кратности увеличений объектива и окуляра. Например, общее увеличение микроскопа с объективом 40× и окуляром 7× будет равно 280.

3. Правила работы с микроскопом.

Правила работы с микроскопом на малом увеличении (7 × 8).

1. Микроскоп устанавливают колонкой к себе, а зеркалом к источнику света; примерно на ширину ладони от края стола.

2. Вращая макрометрический винт «на себя», устанавливают объектив на 2–3 см от поверхности предметного столика.

3. Проверяют установку объектива малого увеличения (8×) «на щелчок»: он должен быть зафиксирован против отверстия в предметном столике.

4. Перемещают конденсор в среднее положение и полностью открывают диафрагму.

5. Глядя в окуляр , направляют поверхность зеркала на источник света, чтобы равномерно осветитьполе зрения .

6. Помещают микропрепарат на предметный столик покровным стеклом к объективу (!).

7. Глядя со стороны (!), макрометрическимвинтом опускают объек-

тив до расстояния 0,5 см от поверхности покровного стекла (фокусное расстояние объектива 8× составляет примерно 1 см ).

8. Глядя в окуляр, медленно вращают макрометрический винт «на себя» (!) и получают изображение объекта. Для получения четкого изображения объектамакрометрический винт можно слегка повернуть в одну

и другую стороны.

9. Изучают объект. Перемещение препарата производят вручную. Примечание : Если объект очень мал и его трудно найти на малом уве-

личении, то настроить микроскоп можно на край покровного стекла . Получив четкое изображение края стекла, далее перемещают препарат под объектив и продолжают поиск объекта.

Правила работы с микроскопом на большом увеличении (7 × 40).

1. Получают четкое изображение объекта на малом увеличении (см. выше).

2. Интересующий участок микропрепарата центрируют - передвигают в центр поля зрения.

3. Поворотом револьвера переводят до щелчка объектив большого увеличения (40×).

4. Переводят конденсор в верхнее положение.

5. Глядя в окуляр, слегка поворачивают макрометрический винт «на себя» (!) до появления контуров объекта.

6. Для получения более четкого изображения используют микрометрический винт, вращая его к себе или от себя не более чем на 0,5 оборота.

7. Изучают интересующий участок микропрепарата.

Примечание . Если с первого раза не удается получить изображение объекта на большом увеличении, то необходимо, глядя сбоку, макрометрическим винтом аккуратно опустить объектив большого увеличения почти до касания линзой поверхности покровного стекла (фокусное расстояние объектива 40× составляет около 1 мм) и повторить дйствия, начиная с 5-го пункта.

Окончание работы с микроскопом:

1. Закончив изучение объекта, макрометрическим винтом приподнимают тубус на 2–3 см и снимают препарат с предметного столика.

2. Поворотом револьвера устанавливают объектив малого увеличения на щелчек, фиксируя его против отверстия на предметном столике.

3. Макрометрическим винтом опускают нижний край объектива малого увеличения до уровня предметного столика.

Основные термины и понятия:

Конденсор - это система линз, собирающих световые лучи в пучок.Кремальера - макрометрический винт.

Объектив - система линз, которые ввинчены в револьвер и направлены к объекту исследования.

Окуляр - система линз, которые вставлены в верхнее отверстие тубуса и в которую смотрят глазом.

Разрешающая способность - способность оптического прибора различать мелкие детали; минимальное расстояние между двумя соседними точками (линиями), которые еще можно дифференцировать.

Револьверное устройство - вращающийся механизм смены объективов, который укрепляется внизу на колонке штатива.

Тубус - полая трубка, которая соединяет окуляр и объектив.

ТЕМА № 2 БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ. ПОТОК ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

В КЛЕТКЕ

1. Современное состояние клеточной теории.

1. Клетка - элементарная структурно-функциональная и генетическая единица всего живого, открытая саморегулирующаяся система биополимеров, через которую постоянно идут потоки веществ, энергии и информации.

2. Клетки всех организмов имеют сходное строение, химический состав и процессы жизнедеятельности.

3. Новые клетки образуются при делении материнской клетки.

4. Клетки многоклеточного организма дифференцируются и образуют ткани для выполнения разных функций.

2. Отличительные признаки про - и эукариотических клеток.

Клетки живых организмов подразделяются на прокариотические и эукариотические. Их отличительные признаки представлены в табл. 2.

Эукариотические клетки содержат оболочку, цитоплазму и ядро. Оболочка (плазмалемма) представлена одной или несколькими мембранами. Цитоплазма представлена однородным коллоидным раствором, в котором располагаются органеллы и включения (рис. 2, 3).

Главная проблема любых попыток популяризации науки - это постоянные сбои в тео­рии разума, theory of mind: неспособность поставить себя на место читателя или слушателя, чтобы понять, какие вещи кажутся ему самоочевидными и скучными, а какие кажутся непо­нятными и нуждаются в подробных объяснениях.

Попытки прямого диалога между акаде­мическими учеными и широкой общественностью за редкими исключениями не пользуются популярностью, потому что в своих логических построениях ученые склонны перескаки­вать через два-три звена, абсолютно самоочевидных для профессионала, но непонятных без дополнительного объяснения нормальному человеку, который про ДНК последний раз слы­шал в школе и вообще у него голова совершенно другим занята.

ДНК, дезоксирибонуклеиновая кислота, - это та самая красивая двойная спираль, на которой закодирована вся информация о строении белков нашего тела. В каждой клетке хра­нится 46 длинных-длинных молекул ДНК - в свернутом виде они называются хромосомами. Если размотать хромосомы, то общая длина ДНК в каждой нашей клетке составит 2 метра - или 3,2 млрд нуклеотидных пар.

Молекула ДНК - это цепочка из нуклеотидов. Их обозначают четырьмя буквами - A, G, T, C (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Именно последовательность этих букв (AAGGGTCAAGGAACCATC и так далее) определяет, могут ли ферменты прочитать дан­ный участок ДНК и построить на его основе что-нибудь полезное: сначала молекулу-посред­ник, РНК, а потом, если повезет, и белок, - а если да, то какое именно. Если такое прочте­ние возможно, то данный участок ДНК называется ген. У человека примерно 25 тыс. генов, кодирующих белки, и каждый из них представлен в двух копиях, полученных от мамы и от папы, так что на каждую отдельную хромосому в среднем приходится чуть больше тысячи генов.

Самое ценное свойство нуклеотидов - это комплементарность, или распределение на парочки. Аденин с большим удовольствием формирует водородные связи с тимином, а гуа­нин - с цитозином. Двойная спираль образуется именно за счет того, что в двух цепочках ДНК напротив друг друга всегда находятся предсказуемые нуклеотиды: A-T, C-G, T-A, G-C. Именно благодаря этому свойству клетка способна удваивать ДНК: в этот момент двойная спираль расплетается, и ферменты приставляют напротив каждого аденина тимин, а напро­тив каждого цитозина - гуанин. В итоге получаются две новых двойных спирали, в каж­дой одна старая нить и одна свежедостроенная по принципу комплементарности. Их можно будет теперь свернуть в плотно упакованные хромосомы и разнести по двум новым дочер­ним клеткам. Это же замечательное свойство делает наш генетический материал относи­тельно устойчивым к мутациям: если испортилась только одна нить ДНК, то ферменты все­гда смогут починить ее, используя вторую в качестве справочного материала.

Комплементарность необходима и для считывания информации. В этом случае фер­мент ползет вдоль какого-нибудь гена и строит молекулу РНК, рибонуклеиновой кислоты. Она устроена примерно так же, как ДНК, но только она (как правило) одноцепочечная, а вме­сто тимина там другой нуклеотид, урацил. Но строится она именно благодаря комплементар­ности: напротив цитозина из ДНК ферменты ставят в новую РНК гуанин, напротив тимина - аденин, напротив гуанина - цитозин, ну а напротив аденина, что же делать, урацил. И тоже получается какая-нибудь осмысленная последовательность букв, например, из приведен­ного двумя абзацами выше участка ДНК ферменты построят UUCCCAGUUCCUUGGUAG. После того как РНК построена, она может выйти из ядра и сама начать делать что-нибудь полезное в клетке. Вообще сейчас считается, что именно РНК были самыми первыми слож­ными молекулами в живой природе и какое-то время они сами и хранили информацию, и выполняли функции белков, но потом придумали, как построить ДНК в качестве надежной библиотеки данных и как построить белки в качестве разнообразных эффективных помощ­ников во всем клеточном домашнем хозяйстве. Но сегодня ключевой функцией РНК стал перенос информации, нужной для синтеза белков, от ДНК в цитоплазму клетки, где они будут построены.

Белки - это длинные цепочки аминокислот. От того, в какой последовательности ами­нокислоты соединены друг с другом, зависит, какую форму примет готовый белок, как будут распределены заряды по его поверхности и, соответственно, что он сможет делать: пере­носить кислород, заставлять мышцы сокращаться, уничтожать бактерии, пропускать ионы через мембрану клетки, воспринимать свет или превращать целлюлозу в сахар. В принципе любая задача, возникающая в клетке, может быть решена с помощью какого-нибудь белко­вого комплекса. Если бы это зачем-то понадобилось в эволюции, клетка могла бы произво­дить белки в виде Эйфелевой башни, или белки, способные превращать газированную воду в вино, или, допустим, белки, которые превращались бы в страшный яд под воздействием гормонов стресса (если ты такой нервный, то зачем тебе жить).

Именно последовательность аминокислот и закодирована в генах. После того как из ДНК информация была переписана на РНК, начинается трансляция - строительство белка. При этом букв-нуклеотидов в РНК всего четыре, а базовых аминокислот - 20, и поэтому каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов. Этот язык рас­шифрован, словарик есть в каждом школьном учебнике, так что, зная последовательность нуклеотидов, можно предсказать, какой будет по следовательность аминокислот (обратная операция намного сложнее, потому что одна и та же аминокислота может кодироваться раз­ными наборами нуклеотидов). Например, из кусочка РНК, который мы тут уже рассматри­вали, - UUC CCA GUU CCU UGG UAG - получится пептидная цепочка “фенилаланин - пролин - валин - пролин - триптофан”. На этом синтез оборвется, потому что последние три нуклеотида - UAG - не кодируют никакую аминокислоту, это знак препинания, он означает “конец белка”.

Каждый человек наследует эти генетические инструкции от родителей. Из тех 46 хро­мосом, которые есть в каждой клетке тела, ровно 23 принес сперматозоид и 23 были в яйцеклетке. За исключением генов Y-хромосомы (и, соответственно, Х-хромосомы, если вы мужчина и она у вас всего одна), вся остальная информация продублирована. Гены, необ­ходимые для синтеза гемоглобина, коллагена, иммуноглобулинов, протеинкиназы М-зета и любого другого белка, мы получаем и от папы, и от мамы. Эти два варианта (аллели) одного и того же гена могут быть одинаковыми, а могут немного отличаться. Это очень хорошо: это означает, что если один ген сломан, то клетка будет пользоваться вторым и человек оста­нется более или менее здоров.

Одна из важных функций белков - это способность обеспечивать обмен информацией между клеткой и внешней средой, в роли которой у многоклеточного организма выступает межклеточное пространство. В мембрану каждой клетки встроено огромное количество бел­ков-рецепторов. На внеклеточной части рецептора есть участок, способный воспринимать поступающие сигналы. Если речь идет об органах чувств, то сигналом могут быть колебания воздуха, температура или свет, рецепторы на нейронах могут реагировать на изменения элек­трического потенциала, но в абсолютном большинстве случаев речь идет о взаимодействии с сигнальной молекулой (лигандом). Оно осуществляется просто за счет того, что сайт связы­вания - чувствительный участок данного рецептора - по своей форме и распределению заря­дов совпадает именно с этой молекулой идеально, как ключ с замком (это настолько навяз­шая в зубах метафора, которой пользуются абсолютно все, что, когда я однажды попыталась расспросить одного из своих коллег, как же все-таки устроен дверной замок, он посмотрел на меня снисходительно и начал объяснять: “Ну, представь себе мембранный рецептор...”).

Так вот, когда происходит связывание сигнальной молекулы с рецептором, то в ответ он изменяет свою конформацию (то есть способ укладки аминокислотной цепи в трехмерную структуру), и после этого в клетке начинает происходить что-нибудь новое. Если белок одно­временно и рецептор, и трансмембранный канал, то он откроется или закроется, и какие-нибудь молекулы начнут или перестанут проникать в клетку или выходить из нее. Если у рецептора есть каталитическая активность, то после активации его внутриклеточная часть начнет что-нибудь делать, например фосфорилировать проплывающие мимо белки (причем не какие попало, а те, которые нужно). Или рецептор может передать сигнал G-белку, а тот в ответ активирует свою альфа-субъединицу, и она отправится в свободное плавание, чтобы творить добро, - допустим, активирует аденилатциклазу, она превратит молекулу АТФ в сигнальную цАМФ, которая в свою очередь подействует на какую-нибудь протеинкиназу... В общем, произойдет каскад из десятка молекул, которые по принципу домино будут акти­вировать и подавлять друг друга, и в конечном итоге это приведет к запуску какого-нибудь ответа на сигнал со стороны клетки как целого.

Например, информация дойдет до ядра, там начнут считываться какие-нибудь гены, которые до этого были неактивны, и клетка начнет строить белки, которых у нее раньше не было. Или информация дойдет до каких-нибудь мембранных каналов, и они изменят свою миграционную политику - начнут впускать или выпускать что-то, чего раньше не замечали. Если речь идет о нервной клетке, то такие изме­нения в миграционной политике могут привести к изменению концентрации ионов внутри и снаружи клетки и, как следствие, к генерации нового нервного импульса, который в свою очередь может повлиять на поведение человека.

Я тут совершенно не ставлю себе задачу описать все возможные сигналы и все способы ответов на них. Я только хочу подчеркнуть, что все эти штуки на самом деле очень подробно изучены и с каждым годом накапливается все больше деталей. Современная молекулярная биология довольно твердо и четко представляет, что творится в клетке на уровне молекул: кто с кем связывается, почему это возможно, как они изменяются, как отрываются друг от друга, куда и почему плывут дальше. Все детали описаны в научных статьях, а все базовые принципы - в университетских учебниках (например, по цитологии), и если вы зададитесь во просом, какой именно молекулярный каскад происходит, когда молекула инсулина взаи­модействует с рецептором на поверхности мышечной клетки, то найти эту информацию не составит никакого труда. Я не стала вдаваться в такие детали в книжке, потому что это никто не стал бы читать.

Рецептор не обязательно расположен именно на мембране клетки. Некоторые сигналь­ные молекулы, например стероидные гормоны, умеют самостоятельно просачиваться сквозь мембрану, и тогда рецепторы к ним могут находиться внутри клетки - в цитоплазме или на оболочке ядра. Но дальше происходит все то же самое: рецептор меняет конформацию, воздействует таким образом на еще какой-нибудь белок, кто-нибудь отщепляет от кого-нибудь какую-нибудь молекулярную группу, появляются какие-нибудь новые сигнальные молекулы, они воздействуют, допустим, на рецепторы ядра, внутри него появляются другие сигнальные молекулы, связываются с ДНК, запускают или подавляют считывание какого-нибудь гена, и клетка опять же изменяет какую-нибудь свою активность.

Восприятие химических сигналов клеточными рецепторами - это основа работы нерв­ной системы. Каждая наша нервная клетка - нейрон - состоит из тела и множества отрост­ков: дендритов (их много, и они собирают информацию) и аксона (он, как правило, один, хотя обычно разветвляется в конце и отправляет информацию дальше, к следующим нейро­нам). Информация - это электрический ток, который движется по отростку благодаря работе мембранных каналов, которые в нужный момент запускают внутрь клетки ионы натрия, в нужный момент выпускают из клетки ионы калия, все это приводит к изменению электри­ческого заряда снаружи и внутри мембраны и к дальнейшему распространению сигнала. Но самое интересное начинается в тот момент, когда электрический импульс доходит до конца аксона. Просто перескочить на дендрит следующего нейрона он не может. Контакт между нейронами, синапс, устроен более сложно.

Абсолютное большинство нейронов млекопитающих общаются друг с другом с помо­щью нейромедиаторов. Когда электрический сигнал доходит до конца аксона, под его дей­ствием в синаптическую щель высвобождаются молекулы, заранее запасенные в пресинап­тическом пространстве. Это и есть нейромедиаторы - дофамин, норадреналин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота или любой другой из героев книжки. Они героически про­плывают десятки нанометров синаптической щели и связываются с рецепторами на постси­наптической мембране - а это приводит к тому, что второй нейрон тоже начинает впускать или выпускать ионы калия и натрия и генерирует свой собственный электрический ток (или, наоборот, блокирует всякую возможность возникновения потенциала, если речь идет о тор­мозном нейромедиаторе).

Прелесть такой системы передачи в том, что на нее возможно влиять множеством разных способов. Первый нейрон может выпускать множество разных нейромедиаторов в любых количествах. Он может захватывать их из синаптической щели обратно. В про­странстве между нейронами могут присутствовать ферменты, расщепляющие нейромеди­атор. Рецепторы могут быть более или менее чувствительны к нейромедиаторам. На все эти параметры можно влиять с помощью дополнительных молекул, как вырабатываемых в организме, так и купленных в аптеке, и таким образом в широких пределах модифициро­вать работу нейронов, а значит, и настроение, память, обучение. Еще один очевидный при­мер лигандов, связывающихся с рецепторами в многоклеточном организме, - это гормоны. В узком смысле гормонами называют вещества, которые вырабатываются специализиро­ванными эндокринными железами - эпифизом, надпочечниками, щитовидной железой и т д. Более современное определение включает любые вещества, которые вырабатываются в одних тканях и влияют на другие, например лептин, который производится жировыми клет­ками, или холецистокинин, вырабатывающийся в тонком кишечнике. Оба этих гормона-в- широком-смысле могут воздействовать на мозг, подавляя чувство голода.

Клетки могут принять решение о производстве гормона самостоятельно. Допустим, поджелудочная железа сама анализирует уровень сахара в крови и, если его становится много, вырабатывает больше инсулина, разрешающего клеткам забрать этот сахар и съесть его. Но присутствует и центральная регуляция: гипоталамус собирает всю информацию о составе крови, работе внутренних органов, состоянии мозга, времени суток и так далее, вырабатывает молекулярные сигналы для гипофиза, а тот в свою очередь выделяет гормоны, регулирующие работу организма как напрямую, так и за счет воздействия на все остальные эндокринные железы нашего тела.

Химическая природа гормонов разнообразна: в принципе почти любая молекула в ходе эволюции имеет шанс превратиться в посланника судьбы. В нашем случае две самые боль­шие группы - это стероидные и пептидные гормоны. Первые производятся на базе холесте­рина (да, это вообще ужасно важная и нужная молекула, без нее еще и клеточные мембраны не смогут существовать; хорошая новость в том, что организм умеет синтезировать холесте­рин самостоятельно, так что можно не следить специально за его присутствием в пище). К стероидным гормонам относятся все главные половые гормоны (эстрадиол, тестостерон и т д.) и все кортикостероиды, в том числе “гормон стресса” кортизол. Стероидные гормоны легко проникают сквозь клеточные мембраны, так что рецепторы к ним расположены не на поверхности клеток, а внутри. Пептидные гормоны - это цепочки аминокислот. Их не называют белками, потому что не доросли и не заслужили: белки длинные, а пептиды корот­кие. Например, в окситоцине всего девять аминокислот. В инсулине две цепи, А и В, первая состоит из 21, а вторая из 30 аминокислот. Впрочем, пептидные гормоны синтезируются как классические белки, и первоначально они вполне длинные, просто потом разрезаются на несколько кусочков, один из которых становится гормоном, а другие тоже на что-нибудь пригождаются. Но абсолютное большинство пептидных гормонов вырабатываются в гипо­таламусе и гипофизе, и поэтому судьба побочных продуктов их производства изучена еще не полностью - тут с главными бы продуктами окончательно разобраться.

Существует много гормонов, которые не являются ни стероидами, ни пептидами. Своя особенная структура, например, у гормонов щитовидной железы, или у адреналина, или у мелатонина. Этот последний - производное триптофана, то есть аминокислоты, но одной- единственной. Триптофан превращается в серотонин, а серотонин в свою очередь в мелато­нин. В популярных статьях о диетах нередко встречается утверждение, что бананы богаты триптофаном, а значит, их надо есть ради синтеза серотонина и улучшения настроения. Это сомнительно: с тем же уровнем достоверности можно предположить, что из излишков серо­тонина будет синтезирован мелатонин и в лучшем случае вам захочется спать, а в худшем начнется сезонная депрессия. Есть научные исследования о том, что при остром недостатке триптофана в диете настроение действительно падает, но неполноценное питание вообще не способствует личному благополучию; а вот идея о том, что надо есть именно бананы, чтобы быть счастливыми, - это, видимо, все-таки городская легенда.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РФ

Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия

КАФЕДРА БИОЛОГИИ, ВЕТЕРИНАРНОЙ ГЕНЕТИКИ,

К у р с л е к ц и й

П О Д И С Ц И П Л И Н Е

УЛЬЯНОВСК - 1999 год.

г. Ульяновск, ГСХА, 1999, 138 с.

Рецензенты: д.б.н., профессор Васильев Д.А.

зав.кафедрой экологии Красноярского Аграрного

Университета профессор Горбачев В.Н.

Печатается по решению Ученого совета УГСХА,

 Романова Е.М., 1999

 УГСХА, 1999

Тема 1. Введение в биологию

1. ПРЕДМЕТ БИОЛОГИИ.

2. БИОЛОГИЯ КАК СИСТЕМА НАУК.

3. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК.

1. Предмет биологии

Термин биология был введен в 1802 г. Ж.Б.Ламарком. Биология - это совокупность наук о живой природе. Предметом биологии являются все проявления жизни: строение и функции, происхождение и развитие, распространение и многое другое. Общая биология изучает общие закономерности развития живой природы, раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие.

По классическому определению Ф.Энгельса жизнь - "это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка". Современные определения жизни основаны на достижениях биологии 20 века они глубоко материалистичны, хотя не сводят жизнь только к физико-химическим закономерностям, свойственным неживой природе. Только живая природа на нашей планеты обладает способностью к матричному синтезу ДНК, обмену веществ и прогрессивной эволюции. Живое на нашей планете возникло из неживого, поскольку оно энергетически выгоднее. По сравнению с неживой природой живое можно рассматривать как форму движения материи более высокого уровня.

Биология в начале своего развития решала чисто описательные задачи, но затем обратилась к изучению механизмов функционирования живого. В биологии живых организмов можно обнаружить множество чисто физических явлений: циркуляция крови, давление, проведение нервных импульсов, оптические свойства глаза. Понять эти процессы можно только использовав знания точных наук - физики и химии.

У всех живых существ можно обнаружить множество общих черт. Самое общее то, что они состоят из клеток. Каждая клетка является сложной саморегулирующейся химической "лабораторией".

Большую роль в жизнедеятельности клетки и организма играют ферменты, которые облегчают протекание химических реакций. Зачастую клеточные химические механизмы столь сложны, что их невозможно воспроизвести в лабораторных условиях. Благодаря действию ферментов, в биохимических процессах не нарушается ни один из физических законов. Знание химии необходимо для понимания тонких процессов, протекающих на клеточном уровне.

Современная биологи пользуется не только законами физических и химических наук, но и их методами. В частности, для анализа сложных, многоступенчатых биохимических процессов используется метод меченых атомов. В качестве таких меток выступают изотопы.

Вспомним, что химические свойства атомов определяются числом электронов, а не массой ядра. Например, в химическом отношении С (12) и (14) не отличаются, но С (14) радиоактивный изотоп, с его помощью можно весьма точно проследить за малыми порциями веществ и их превращениями в организме. Изучая биологические процессы, нельзя забывать, что все тела состоят из атомов, поэтому большой вклад в понимание тонких клеточных механизмов вносит атомная физика.

Такое взаимодействие и взаимопроникновение наук взаимовыгодно. В частности, именно биология помогла физике открыть закон сохранения энергии. Майер установил этот закон при излучении количества тепла, выделяемого и поглощаемого живым организмом.