Курс лекцій з основ біології для самостійної роботи студентів спеціальності 090804

Вид материала

Содержание

Суми Вид-во СумДУ 2008
Обухова О.А.
Обухова О.А.
Обухова О.А.
Вірусологія Анатомія
Форми життя
Неклітинні форми органічного світу
Клітинні форми життя.
Рівні організації клітини
Молекулярний рівень
Клітинний рівень
Тканинний рівень
Рівень організму (онтогенетичний).
Популяційно-видовий рівень
Біоценотичний і біосферний рівні
Сучасні методи цитологічних досліджень
Електронна мікроскопія
Цитохімічні і цитоспектрофотометричні методи дослідження
Швидкісне центрифугування
Метод рентгеноструктурного аналізу
...
Полное содержание

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я УКРАЇНИ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕДИЧНИЙ ІНСТИТУТ

До друку та в світ

дозволяю на підставі

"Єдиних правил", п.2.6.14

Заст. першого проректора – начальник

організаційно-методичного управління В. Б. Юскаєв

Курс лекцій з основ біології

для самостійної роботи студентів

спеціальності 8.090804 "Фізична та біохімічна електроніка"

денної форми навчання

Усі цитати, цифровий та фактичний

матеріал, бібліографічні відомості перевірені,

запис одиниць відповідає стандартам

Укладач: О. А. Обухова

Відповідальний за випуск О. В. Атаман

Директор медичного інституту В. Е. Маркевич

Суми

Вид-во СумДУ

2008

Обухова О.А.

Курс лекцій з основ біології

Навчальний посібник

міністерство охорони здоров'я україни

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет

Обухова О.А.

Курс лекцій з основ біології

Рекомендовано вченою радою

Сумського державного університету

як навчальний посібник

Суми

Вид-во СумДУ

2008

УДК 57(075.8)

О26

Рекомендовано до друку вченою радою

Сумського державного університету

(протокол № 4 від 08.11.2007 р.)

Рецензенти:

д-р мед. наук, проф. М.М. Каплін

(Медичний інститут СумДУ);

канд. мед. наук, доцент Л.В. Васько

(Медичний інститут СумДУ)

Обухова О.А.

О26 Курс лекцій з основ біології: Навчальний посібник. –

Суми: Вид-во СумДУ, 2008. – 168 с.

ISBN 978-966-657-179-6

Навчальний посібник містить тексти лекцій з основ біології. Висвітлені основні питання загальної біології, загальні закономірності життя, вчення про клітину, спадковість, основи генетики людини, питання загальної екології, вчення про біосферу, основи загальної паразитології.

Для студентів фізико-технічного факультету спеціальності фізична та біомедична електроніка вищих навчальних закладів III-IV рівнів акредитації.

УДК 57(075.8)

ã О.А.Обухова, 2008

ISBN 978-966-657-179-6 ã Вид-во СумДУ, 2008

УДК 57(075.8)

О-26

Рекомендовано до друку вченою радою

Сумського державного університету

(протокол № 4 від 08.11.2007 р.)

Рецензенти:

д-р мед. наук, проф. М.М. Каплін

(Медичний інститут СумДУ);

канд. мед. наук, доцент Л.В. Васько

(Медичний інститут СумДУ)

Обухова О.А.

О-26 Курс лекцій з основ біології: Навчальний посібник –

Суми: Вид-во СумДУ, 2008. – 168 с.

ISBN 978-966-657-179-6

Навчальний посібник містить тексти лекцій з основ біології. Висвітлені основні питання загальної біології, загальні закономірності життя, вчення про клітину, спадковість, основи генетики людини, питання загальної екології, вчення про біосферу, основи загальної паразитології.

Для студентів фізико-технічного факультету спеціальності фізична та біомедична електроніка вищих навчальних закладів III-IV рівнів акредитації.

УДК 57(075.8)

ã О.А.Обухова, 2008

ISBN 978-966-657-179-6 ã Вид-во СумДУ, 2008

Навчальне видання

Обухова Ольга Анатоліївна

Курс лекцій з основ біології

Навчальний посібник

Дизайн обкладинки О.А. Обухової

Редактор П.М. Єфіменко

Комп'ютерне верстання О.А. Обухової, Р.О. Ягупи

Підп. до друку 18.02.2008.

Формат 60x84/16. Папір ксерокс. Гарнітура Times New Roman Cyr. Друк офс.

Ум. друк. арк. 9,77. Обл.-вид. арк. 6,47.

Тираж 40 пр. Вид.№ 262.

Зам. №

Видавництво СумДУ при Сумському державному університеті

40007, м. Суми, вул. Р.-Корсакова, 2

Свідоцтво про внесення суб'єкта видавничої справи до Державного

реєстру ДК № 3062 від 17.12.2007.

Надруковано у друкарні СумДУ

40007, м. Суми, вул. Р.-Корсакова, 2.

Вступ

Загальна біологія – наука про життя, закономірності існування живого, механізми розвитку і життєдіяльності організмів. Здоров’я людей значною мірою залежить від стану навколишнього середовища. Знання біологічних закономірностей і методів досліджень є основою підготовки фахівців зі спеціальності «фізична та біомедична електроніка», і біологія, що є базисною дисципліною, має велике значення при вивченні людини як біологічного і соціального об’єкта, а також у відношенні практики охорони здоров’я.

Вивчення біології як теоретичної природничо-наукової дисципліни має і більш загальне завдання - сприяти формуванню наукового світогляду.

Метою даної дисципліни є формування в студентів-інженерів цілісного уявлення про загальні закономірності розвитку живої природи, суть життя, його форми, структуру й функціонування екологічних систем, формування системного підходу до вивчення закономірностей життєдіяльності організму людини, механізмів регуляції вегетативних реакцій, взаємодії організму з навколишнім світом та особливостей росту й розвитку.

Лекція 1 Рівні організації живого. Методи біологічних досліджень

Біологія (від грец. bios – життя, logos – наука) – наука про життя, про загальні закономірності існування і розвиток живих істот: життєві процеси, що в них відбуваються, хід їх життєвих циклів, взаємозв’язок з оточуючим середовищем, походження, історичний та індивідуальний розвиток живих організмів. Вивчення світу живих істот почалось одночасно з появою людства.

Термін «біологія» був уперше вжитий у 1797 р. німецьким професором анатомії Теодором Рузом (1776 – 1847), пізніше в 1800 р. термін застосував професор Дерпського університету К. Бурдах (176 – 1847), а в 1802 р. – Ж.-Б. Ламарк (1744 – 1829) і Л. Тревіранус (1779 – 1864). Біологія як наука виникла при пізнанні людиною оточуючої природи, у зв’язку з матеріальними умовами життя суспільства, розвитком виробничих відносин, медицини, практичних потреб людини.

Вірусологія Анатомія

(

віруси) (макроскопічна

будова)

Бактеріологія

(

бактерії) Гістологія

(будова тканин)

Мікологія БІОЛОГІЯ

(гриби) Фізіологія

(функції організму)

Ботаніка

(рослини) Біохімія і

молекулярна біологія

Зоологія (клітинні функції)

(тварини)

Поряд з фізикою, хімією, математикою біологія належить до природничих наук, предметом вивчення яких є природа. У процесі поступового розвитку й у міру збагачення новими фактами біологія перетворилася в комплекс наук, що досліджує закономірності, властиві живим істотам з різних сторін. Деякі з цих наук представлені самостійними дисциплінами – анатомією, фізіологією, гістологією, біохімією, мікробіологією та ін.

Сучасна біологія – це складний високодиференційований комплекс фундаментальних і прикладних досліджень живої природи, яка складається з багатьох біологічних дисциплін, що спеціалізуються на вивченні структурно-функціональних особливостей певних організмів.

Теоретичний фундамент біології був закладений еволюційним вченням Дарвіна, клітинною теорією Шванна і целюлярною патологією Вірхова.

Форми життя

Життя як біологічна форма руху матерії – найбільш складна форма Всесвіту. Воно існує на космічному тілі – планеті Земля – впродовж тривалого історичного періоду. За різними оцінками, вік Землі близько 4,5 млрд років. Життя на Землі триває близько 4 млрд років. Таким чином, становлення нашої планети і виникнення на ній життя в космічних вимірах часу відбувалося майже одночасно. Вочевидь, подальша еволюція систем проходила за їх тісної взаємодії і мала взаємозумовлений характер. Біолог і геохімік В. І. Вернадський глибоко усвідомив це явище. Він створив нову галузь знань – науку про Землю. Ця наука поєднує геологію, геохімію і гідрохімію, ґрунтознавство, географію і, звичайно, біологію. Принципово новий підхід полягав у тому, що вчений об’єднав біоту – живу речовину, і сферу її існування – косну речовину, в єдине ціле - біосферу, живу оболонку Землі.

Жива речовина становить всю сукупність живих організмів планети, що існують у даний момент, незалежно від систематики. Вона біохімічно надзвичайно активна і пов’язана з неживою природою неперервними біогенними потоками атомів і молекул під час реалізації своїх головних функцій – живлення, дихання, виділення, розмноження. Жива речовина набула і вдосконалила унікальну здатність сприймати, акумулювати і трансформувати космічну енергію сонця. Таким чином, впродовж еволюції Землі виник потужний фактор, що визначив хід наступних глобальних перебудов її поверхні.

У всьому розмаїті органічного світу можна виділити дві форми – неклітинну і клітинну.

Неклітинні форми органічного світу. До неклітинних належать віруси, які утворюють групу Віра (Vira). Віруси проявляють життєздатність тільки у стадії внутрішньоклітинного паразитизму. Існування вірусів було доведено у 1892 р. російським ботаніком Д. І. Івановським (1864–1920), але побачили їх багато пізніше. Більшість вірусів має субмікроскопічні розміри, тому для вивчення їх будови користуються електронним мікроскопом.

Зрілі частинки вірусів – віріони, або віроспори складаються з білкової оболонки і нуклеокапсиду, в якому зосереджений генетичний матеріал – нуклеїнова кислота. Одні віруси містять дезоксирибонуклеїнову кислоту (ДНК), інші – рибонуклеїнову (РНК). Описано сотні вірусів, які викликають захворювання у рослин, тварин і людини. До вірусних хвороб людини належать сказ, віспа, тайговий енцефаліт, грип, епідемічний паротит, кір, СНІД та ін.

Походження вірусів не з’ясоване. Одні вважають їх первинно примітивними організмами, які є основою життя. Інші схиляються до думки, що віруси походять від організмів, які мали більш високий ступінь організації, але дуже спростилися в результаті паразитичного способу життя. Існує і третя точка зору: віруси – група генів або фрагментів інших клітинних структур, які набули автономності.

Клітинні форми життя. Основну масу живих істот складають організми, які мають клітинну будову. У процесі еволюції органічного світу клітина набула властивостей елементарної системи, в якій можливий прояв усіх закономірностей, що характеризують життя.

Клітинні організми поділяють на дві категорії: ті, що не мають типового ядра – доядерні, або прокаріоти (Procaryota) та ті, які мають ядро – ядерні, або еукаріоти (Eucaryota). До прокаріотів належать бактерії та синьо-зелені водорості, до еукаріотів – більшість рослин, гриби і тварини. Різниця між одноклітинними прокаріотами та еукаріотами більш суттєва, ніж між одноклітинними еукаріотами та вищими рослинами і тваринами.

Прокаріоти – доядерні організми, які не мають типового ядра, оточеного ядерною оболонкою. Генетичний матеріал представлений генофором – ниткою ДНК, яка утворює кільце. Ця нитка не набула складної будови, що характерна для еукаріотичних хромосом, вона не пов’язана з білками-гістонами. Поділ клітини простий, але йому передує процес реплікації. У клітині прокаріотів відсутні мітохондрії, центріолі, пластиди, але може бути розвинена система мембран.

Бактерії та синьо-зелені водорості об’єднані в підцарство Дроб’янки. Клітина типових дроб’янок вкрита оболонкою із целюлози. Дроб’янки відіграють суттєву роль у кругообігу речовин у природі: синьо-зелені водорості – як синтетики органічної речовини, бактерії – як мінералізатори її. Багато бактерій мають медичне і ветеринарне значення як збудники хвороб.

Еукаріоти – ядерні організми, які мають ядро, оточене ядерною мембраною. Генетичний матеріал зосереджений переважно у хромосомах, які складаються з ниток ДНК та білкових молекул. Діляться ці клітини мітотично. Є центріолі, мітохондрії, пластиди. Серед еукаріотів є як одноклітинні, так і багатоклітинні організми.

Жива клітина – це упорядкована система, для якої є характерним отримувати ззовні, перетворювати і частково виділяти різні хімічні сполуки. У цілому це забезпечує фундаментальну властивість життя – історичну неперервність біологічних процесів.

Рівні організації клітини

У середині ХХ ст. у біології склалося уявлення про рівні організації як конкретне вираження впорядкованості, що є одиницею з основних властивостей живого.

Життя на нашій планеті існує у вигляді дискретних одиниць – організмів, особин. Кожний організм, з одного боку, складається з одиниць підпорядкованих йому рівнів організації (органів, тканин, клітин, молекул), з другого – сам є одиницею, яка входить до складу біологічних макросистем над організмом (популяцій, біоценозів, біосфери і у цілому).

Рівні організації органічного світу:

Біологічні мікроструктури включають рівні:

молекулярний (молекулярно-генетичний);
субклітинний;
клітинний;

Біологічні мезосистеми:

тканинний;
органний;
організмений, або онтогенетичний;

Біологічні макросистеми:

популяційно-видовий;
біоценотичний;
глобальний (біосфера в цілому).

Життя на нашій планеті існує у вигляді дискретних

одиниць – організмів, особин. Кожний організм, з одного боку, складається з одиниць підпорядкованих йому рівнів організації (органів, тканин, клітин, молекул), з другого – сам є одиницею, яка входить до складу біологічних макросистем над організмом (популяційний, біоценотичний, біосферний).

Існування життя на всіх рівнях забезпечується і визначається структурою нижчого рівня. Характер клітинного рівня організації визначається молекулярним і субклітинним рівнями; організму – клітинним, тканинним, на рівні органів; видовий (популяційний) – на рівні організму тощо.

Молекулярний рівень – дискретні системи дуже одноманітні. Базовий життєвий субстрат для всіх живих істот створюють лише 20 амінокислот, з яких синтезується білок, і 5 азотистих основ, що входять до складу молекул нуклеїнових кислот. Близький склад мають білки і вуглеводи. У всіх організмів біологічна енергія запасається у вигляді багатих на енергію адинозинфосфорних кислот (АТФ, АДФ, АМФ). Спадкова інформація у них закладена у молекулі ДНК, що здатна до саморепродукції (виняток становлять лише РНК-вмісні віруси). Реалізація спадкової інформації здійснюються за участю молекул РНК, що синтезуються на матричних молекулах ДНК.

Клітинний рівень також характеризується однотипністю всіх живих організмів: клітина в них є основною елементарною біологічною одиницею. У всіх організмів тільки на клітинному рівні можливі біосинтез і реалізація спадкової інформації. Клітинний рівень у одноклітинних організмів збігається з рівнем організму (одноклітинні організми: амеба, інфузорія).

Тканинний рівень виник разом з появою багатоклітинних тварин і рослин, які мали диференційовані тканини. У багатоклітинних організмів він розвивається у період онтогенезу. Велика подібність між всіма організмами зберігається на тканинному рівні. Спільно функціонуючи, клітини різних тканин утворюють органи. Лише 4 основних типи тканин входять до складу органів всіх багатоклітинних тварин, і 5 основних тканин утворюють органи рослин.

Рівень організму (онтогенетичний). На цьому рівні спостерігається найбільша різноманітність форм життя. На Землі існує понад мільйон видів тварин та близько півмільйона видів рослин. Кожний вид складається з окремих особин. Особина – це елементарна одиниця життя. Поза особинами у природі життя не існує. На рівні організму відбуваються процеси онтогенезу, тому цей рівень ще називають онтогенетичним.

Популяційно-видовий рівень. Сукупність особин одного виду, що населяють певну територію та ізольовані від особин інших сукупностей, утворює популяцію. Між особинами у популяції відбувається вільне схрещування. Популяція – це елементарна одиниця еволюційного процесу, в ній розпочинаються процеси видоутворення. Популяція входить до складу біогеоценозів.

Біоценотичний і біосферний рівні. Біогеоценози – історично сформовані стійкі угрупування популяцій різних видів, що зв’язані між собою і з навколишньою неживою природою обміном речовин, енергії та інформації. Це елементарні системи, в яких здійснюється зумовлений життєдіяльністю організмів кругообіг речовин і енергії. Біоценози утворюють біосферу і зумовлюють всі процеси, що відбуваються в ній.

Тільки при комплексному вивченні явищ життя на всіх рівнях можна скласти цілісне уявлення про особливу (біологічну) форму існування матерії.

Сучасні методи цитологічних досліджень

У живих і мертвих біологічних об’єктах без спеціальної обробки не можна розглянути деталі мікроскопічної будови, оскільки вони прозорі і не мають видимих оптичних меж, тому перші мікроскопісти мали досить бідне уявлення про внутрішню структуру клітини і могли описати тільки клітинні оболонки у тканинах рослин.

Необхідність пізнати тонку структуру клітини спричинила розвиток мікроскопічної техніки. Для вивчення мікроскопічної будови клітин почали використовувати фіксатори, тобто розчини, які швидко вбивають тканини, але не викликають в них значних структурних змін. Із фіксованих тканин робили тонкі зрізи і фарбували різними барвниками. Були знайдені такі барвники, які вибірково фарбують окремі частини клітин. Пізніше почали застосовувати прижиттєве фарбування, завдяки чому вдалося побачити деталі будови живих клітин.

На початку ХХ ст. був розроблений спосіб культивування тканин, а потім і окремих клітин. Цей метод дозволив спостерігати розмноження клітин, їхній ріст, диференціації, вплив середовища на процеси життєдіяльності.

Останнім часом виявлені нові можливості світлового мікроскопа: метод фазового контрасту дав можливість вивчати деталі будови живої клітини. Цей метод використовується для вивчення дії хімічних речовин і фізичних факторів на живу клітину.

У цитології використовується люмінесцентна і ультрафіолетова мікроскопія, яка дозволяє побачити більш тонкі структури клітини, ніж при звичайному світловому мікроскопі.

Застосування повільного фотографування на кіноплівку дало змогу наочно уявити багато процесів життєдіяльності, зокрема, поділ клітини.

Спираючись на досягнення фізики, хімії, математики та інших точних наук, крім світлової мікроскопії, у вивченні структури та функціонування клітини застосовують новітні методи дослідження. До них належать: електронна мікроскопія, центрифугування, рентгеноструктурний аналіз, методи мічених атомів та ауторадіографії, полімеразної ланцюгової реакції та ін.

Електронна мікроскопія. Дрібні клітинні структури або окремі молекули вивчають за допомогою електронного мікроскопа, який дозволяє спостерігати об’єкти розміром 1 нм. Їх розглядають на екрані і фотографують.

Цитохімічні і цитоспектрофотометричні методи дослідження. Для визначення розташування і кількісного вмісту в клітині хімічних речовин застосовують метод цитофотометрії. Дослідження проводять у видимій і ультрафіолетовій ділянках спектра. Попередньо додають спектральні барвники – флуорохроми, які сприймаються клітинними структурами. Останні набувають яскравого забарвлення. Так визначають нуклеїнові кислоти, їх кількість, місце розташування білків, вітамінів, металів тощо.

Швидкісне центрифугування. Для виділення і вивчення часток, що входять до складу цитоплазми, за допомогою ультрацентрифуг застосовують метод швидкісного ультрацентрифугування (15-40 тис. обертів за 1 хв). Цим методом осаджують спочатку клітинні ядра, потім міто-хондрії, рибосоми, полісоми та ін.

Метод рентгеноструктурного аналізу. Використовуючи рентгенівські промені, вивчають молекулярну структуру речовин, які входять до складу клітин, розміри і просторове розміщення молекул і атомів. Цим методом була досліджена структура молекули ДНК.

Метод мічених атомів. У організм вводять ізотопи з α-, β- або γ-випромінюванням, які включаються у певні структури клітин. Так простежують місце розташування та переміщення їх у клітинах і тканинах. Цим методом досліджують біохімічні процеси як у клітині, так і в окремих її частинах.

Метод полімеразної ланцюгової реакції. Дозволяє виявити наявність або відсутність певних послідовностей ДНК.

Лекція 2 Будова клітини. Клітинна теорія. Цитологічні основи спадковості

Передача спадкової інформації здійснюється завдяки

здатності клітини до ділення і характерна для всіх живих істот.

Який об‘єкт вважають живим? За сучасними уявленнями для живого організму характерними є такі ознаки:

репродукція – здатність до відтворення, самовідтворення, розмноження;
використання та трансформація енергії (перетворення одного виду енергії до іншого);
метаболізм (обмін речовин);
чутливість, тобто сприйняття зовнішніх дій (подразнень) та подразливість – здатність реагувати на подразнення зміною свого стану (скорочення органів та окремих структур) або специфічною діяльністю (у формі різних рухів, наприклад, таксисів та тропізмів);
мінливість – здатність змінювати свої ознаки.

Кожна властивість окремо одна від одної може бути характерною і для неживого об’єкта (наприклад, якщо вдарити по каменю, він розіб‘ється – характерна чутливість). Але лише разом взяті ці ознаки характеризують об’єкт в якості живого, і вся сукупність цих ознак з’являється вже на клітинному рівні. Найменшою одиницею живого є клітина.

Blog