Лекции По курсу Биология с основами экологии
| Вид материала | Лекции |
- Методические рекомендации для практических занятий дисциплина «Биология с основами, 86.45kb.
- Региональный принцип в изучении почв по курсу «география почв с основами почоведения», 341.39kb.
- Задачи курса: - овладение основами экологии; - формирование научных, 101.29kb.
- Рабочая программа учебная дисциплина Биология с основами экологии (наименование), 638.03kb.
- Аннотация дисциплины «Методика преподавания экологии с основами психологии», 19.75kb.
- Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по курсу «Биология с основами, 402.75kb.
- Методические рекомендации для студентов Специальность 032101 «физическая культура, 1255.38kb.
- Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальной дисциплине 03. 02., 89.09kb.
- Литература по курсу «Гигиена с основами экологии человека», 46.9kb.
- Рабочая программа по гигиене с основами экологии человека для специальности 040400, 641.17kb.
Лекции
По курсу Биология с основами экологии
Раздел Зоология с основами эволюционного учения
Лекция 1
Введение
С начала научной деятельности человечества вокруг вопроса о путях возникновения разнообразия органических форм велась идеологическая борьба двух непримиримых философских лагерей – идеализма и материализма.
С самых примитивных идеалистических позиций всё разнообразие органических форм вызвано к жизни могущественной духовной, божественной силой и остается неизменным с момента творения до наших дней.
Зачатки элементов материалистической теории развития органических форм без участия божественных сил явственно выражены уже в произведениях античных философов. Эти элементы накапливались и развивались по мере роста биологических знаний и в то же время определялись общественно-историческими условиями, влиявшими на их содержание и на форму выражения.
В окончательном утверждении материалистического эволюционного учения огромную роль сыграла вышедшая в свет в 1859г. Книга Ч. Дарвина “Происхождение видов путем естественного отбора или переживание наиболее благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь”. Взгляды его постепенно распространялись и утвердились в умах большинства естествоиспытателей, а также широких народных масс.
С позиции дарвинизма, всё разнообразие живых организмов, населяющих и населявших Землю, представляет этапы постепенного развития живой материи от простого к сложному. Зоология изучает эти этапы развития животного мира.
По современным представлениям все организмы, живущие на Земле, делятся на доклеточных и клеточных. К доклеточным относятся вирусы. Они состоят из молекул ДНК или РНК, покрытой белковой оболочкой. Клеточные объединяют предъядерных (прокариотов) и ядерных (эукариотов). К первым относятся цианеи (сине-зеленые водоросли) и бактерии, ко вторым – растения, грибы и животные.
Растения – автотрофы, синтезирующие необходимые для них питательные органические вещества из неорганических. Грибы и животные - гетеротрофы, питающиеся органическими веществами. Животные, нуждающиеся в сложных органических веществах (белки, жиры и углеводы), употребляют в пищу другие организмы или их части. Такое питание называется анимальным, или голозойным в отличии от другого гетеротрофного способа питания – сапрофитного, при котором в качестве пищи используются продукты разложения сложных органических веществ.
^ Голозойный тип питания определяет главные черты организации животных и играет ведущую роль в истории их развития.
Характер питания животных, связанный с необходимостью разыскивать и преследовать добычу, способствовал к совершенствованию у них средств к передвижению. В основе их лежит появление особых сократительных белков, способных сокращаться и возвращаться к исходному состоянию. Они обеспечивают подвижность одноклеточных и участвуют в формировании мышечной ткани многоклеточных.
Животные отличаются от других организмов появлением у них приспособлений для схватывания и удержания пищи. Оформленная добыча не может ими непосредственно усваиваться. У них есть специальные образования, в которых происходит переваривание пищи.
Появление на определенных этапах развития животных специальных органов дыхания во много раз увеличивает поверхность, участвующую в газообмене между организмом и окружающей средой. Они получают благодаря этому больше кислорода, в их теле активнее идет окисление различных веществ, входящих в состав цитоплазмы, и в результате освобождается большое количество энергии, необходимой для жизнедеятельности организма и, прежде всего для движения.
У животных существуют разнообразные распределительные системы, обеспечивающие транспорт ко всем частям тела кислорода и питательных веществ. У высших животных эти функции выполняет кровеносная система.
Распределительные системы обеспечивают также доставку продуктов распада, образующихся в клетках в процессе их жизнедеятельности, к специальным органам выделения, которые имеются только у животных. Эти органы удаляют из организма продукты распада белка и других веществ, содержащих азот (Мочевина, мочевая кислота и аммиак). У растений таких веществ образуется немного, так как они не питаются белком и не обладают мышечной деятельностью. Небольшое количество азотистых отходов удаляется из растений путем диффузии в виде аммиака через поры листьев или в виде азотсодержащих солей из корней в почву. В связи с этим у растений нет специальной выделительной системы.
Животные отличаются прогрессивным развитием нервной системы – необходимого условия подвижности и координации функций дифференцирующихся в связи с подвижностью систем органов. Усложнение взаимоотношений подвижных организмов с условиями окружающей среды сопровождается развитием не только нервной системы, но и органов чувств.
В общем животные отличаются от растений гораздо большей сложностью организации и значительно большим разнообразием видов.
Основные этапы развития
Беспозвоночных
Одноклеточные
Тип простейшие (Protozoa)
Простейшие живут в соленых и пресных водах, как в толще воды, так и возле дна, во влажной почве и паразитируют в других организмах. Общее число известных видов превышает 25000. Тип простейших делиться на несколько классов. Наиболее многочисленные из них: саркодовые (Sarcodina), жгутиковые (Mastigophora), инфузории (Infusoria) и споровики (Sporozoa).
^ Особенности организации. Тело простейших состоит из одной клетки, которой свойственны все жизненные функции самостоятельного организма: обмен веществ, раздражимость, движение и размножение. Части клетки выполняющие разные функции называются органеллами, или органойдами.
Простейшие обладают свойствами характерными для всех эукариотных клеток, которые рассматриваются в курсе цитологии. Зоология изучает главным образом те особенности клетки простейшх, которые характеризуют их как животных.
Для большинства простейших характерно анимальное питание, и все они, кроме паразитов, подвижны. Органеллы передвижения их очень разнообразны. У саркодовых это то появляющиеся то исчезающие выросты цитоплазмы – ложноножки или псевдоподии. Передвигаясь, амеба как бы медленно перетекает с места на место. Жгутиковые двигаются с помощью жгутиков, а инфузории с помощью ресничек. Строение жгутика сложно. Внутри него проходит одиннадцать фибрилл: две центральные - опорные и девять периферических, которые определяют локомоторную функцию. В их состав входят сократительные белки. Основание жгутиков погружено в наружный слой цитоплазмы. Снаружи жгутики покрыты непосредственным продолжением наружной мембраны клетки. Реснички построены по такому же плану, но они короче жгутиков. Даже некоторые паразитические формы из класса споровиков обладают подвижностью, например грегарины. Раньше предполагали, что грегарины двигаются по принципу ракеты. Однако с совершенствованием микроскопической техники выяснилось, что наружный слой цитоплазмы грегарины имеет продольные складки, которые могут совершать змееобразные движения. При помощи их эти животные способны передвигаться. У простейших есть еще одна форма движения – защитное сокращение и съеживание при раздражении. Оно производиться с помощью сократительных тяжей – мионем, состоящих из сократительных белков.
Органеллы передвижения служат этим животным также и для захвата пищи. Псевдоподии окружают пищевые частицы а жгутики и реснички создают ток воды , направляя пищу ко рту. Переваривание пищи происходит в пищеварительных вакуолях. Границы пищеварительной вакуоли образованы частью наружной мембраны, отшнуровавшейся от поверхности клетки. Внутри вакуоли находятся пищеварительные ферменты. Питательные вещества всасываются в цитоплазму, а непереваренные остатки выбрасываются наружу.
Большинство простейших обладает отчетливо выраженными особенностями животных. Однако, среди этих древних организмов есть формы, способные к сапрофитному питанию. Оно встречается у некоторых жгутиковых, например у эвглены. Сравнительно недавно данный вид питания был открыт у амеб. Часть жгутиковых способно к автотрофному питанию при помощи фотосинтеза. У некоторых из них этот способ питания - единственный. Их рассматривают и в курсе зоологии и ботаники. Другие, например эвглена, могут и синтезировать органические вещества и употреблять в растворенном виде уже готовые. Многие простейшие – паразиты, питаются они соками тела хозяина.
Следовательно, простейшие отличаются от других животных не только разнообразием способов передвижения, но и разнообразием типов питания. В пределах этого типа трудно провести резкую грань между животными и растениями, что свидетельствует о единстве происхождения всего органического мира.
Специальных органов дыхания у простейших нет, и газообмен происходит через всю поверхность тела.
У простейших есть особые органеллы, функция которых – поддержание осмотического давления. Они называются пульсирующими или сократительными вакуолями. Из окружающей среды в клетку все время поступает вода, так как концентрация веществ в цитоплазме больше, чем в окружающей среде. Избыточная вода могла бы переполнить и разорвать клетку. Этого не происходит, так как сократительная вакуоль выводит избыточную воду в окружающую среду. Осморегуляция имеет особое значение для пресноводных организмов. У морских и паразитических форм, окруженных жидкостью, концентрация которой близка к концентрации их цитоплазмы, сократительные вакуоли обычно отсутствуют ил же сокращаются очень редко. Кроме того, через сократительную вакуоль, а также со всей поверхности тела выводятся продукты жизнедеятельности, накапливающиеся в цитоплазме клетки.
Разные представители простейших отличаются друг от друга по степени сложности строения. Наиболее просто организована амеба. Тело её состоит из цитоплазмы, которая отделена от окружающей среды наружной мембраной. Наружная, или поверхностная мембрана – активно функционирующая часть клетки. На ней совершается большая работа по сохранению целостности организма, препятствующая “растворению” его в окружающей среде. Такое строение наружной мембраны стало известно после создания электронного микроскопа. В цитоплазме находятся: ядро, регулирующее обмен веществ и размножение, сократительная и пищеварительная вакуоли.
Форма тела амебы непостоянна вследствие возникающих и исчезающих псевдоподий. Однако она у саркодовых меняется в определенных пределах. Число, строение и общая форма псевдоподий служат таксономическими признаками. Образуются псевдоподии в любом месте. Строение тела некоторых саркодовых усложняется раковиной (раковинные амебы и фораминиферы) или твердым скелетом (радиолярии).
Наиболее сложное строение у инфузорий. У них имеется 2 ядра, выполняющие разную функцию: макронуклеус, регулирующий обмен веществ в клетке, и микронуклеус, участвующий в размножении.
У инфузорий постоянная форма тела, сложно устроенные органеллы передвижения – реснички. Реснички могут концентрироваться на определенных участках тела и сливаться в более крупные и, соответственно, в более мощно работающие комплексы. Особенно мощный ресничный аппарат развивается в области ротового отверстия, где он направляет пищу ко рту.
В отличие от саркодовых, которые захватывают пищу любой частью тела, у инфузорий положение клеточного “рта’’ фиксировано. Он ведет в глотку. На дне глотки образуются пищеварительные вакуоли, которые описывают в теле определенный и закономерный для данного вида путь. Непереваренные остатки выталкиваются наружу недалеко от заднего отдела тела через особую органеллу – порошицу. У других простейших этот процесс может происходить в любой части тела. Инфузории обладают парой сократительных вакуолей.
В их теле имеется множество опорных тяжей, а также сократительных волоконцев – мионем. Благодаря последним, тело может изменять форму, изгибаться.
В поверхностных слоях цитоплазмы многих инфузорий залегают особые защитные приспособления – трихоцисты. При раздражении животного трихоцисты выстреливают наружу, превращаясь в упругую длинную нить. Нити вонзаются в тело врага или добычи и оказывают парализующее действие.
Как и все простейшие инфузории обладают раздражимостью, но в отличии от других у них обнаружены органеллы, аналогичные органам чувств: неподвижные осязательные реснички и образования, напоминающие органы равновесия.
Наиболее просто устроенные простейшие- паразитические формы, например споровики. У них нет ни пищеварительных, ни сократительных вакуолей. Питание, дыхание и выделение осуществляется всей поверхностью тела. Для споровиков характерен набор органелл, заметных только в электронном микроскопе и служащих для внедрения в тело хозяина.
Лекция 2
Размножение. Простейшие размножаются бесполым и половым путем. Бесполое размножение быстро увеличивает число особей, идентичным по своим наследственным признакам родительской особи. Биологическое преимущество полового размножения состоит в возможности перекомбинации в потомстве лучших наследственных признаков обоих родителей, в результате чего обогащается наследственность, повышается жизненность вида.
Всем простейшим свойственно бесполое размножение путем деления. У большинства саркодовых и жгутиковых – это единственный способ размножения. Деление простейших – это настоящий митоз, при котором наследственное вещество распределяется поровну между дочерними особями.
При половом процессе у простейших, как правило, образуются подвижные, снабженные жгутиками половые клетки – гаметы. Если различие в строении мужской и женской гаметы отсутствует, то такая наиболее примитивная форма полового процесса называется изогамией. Она встречается у некоторых фораминифер, радиолярий и части колониальных жгутиковых. Когда женская гамета подвижна, но крупнее мужской половой процесс называется анизогамным. Он известен у споровиков и колониальных жгутиковых – пандорины и эударины. У вольвокса женская гамета очень крупная и неподвижная. Такой половой процесс носит название эогамии.
Редукционное деление у разных представителей простейших совершается на разных этапах их жизненного цикла. У одних (вольвокс, споровики) оно зиготическое и происходит вначале деления зиготы. Эти простейшие большую часть цикла находяться в гаплоидном состоянии, и только зигота у них диплоидна. У других редукционное деление гаметическое и предшествует образованию гамет (некоторые жгутиковые) или ядер, которыми животные обмениваются (инфузории). В этих случаях преобладает диплоидное поколение, а гаплоидны только гаметы. У третьих (фораминиферы) гаплоидное и диплоидное поколение занимает примерно равные части цикла, и редукционное деление происходит примерно в середине его.
Размножение фораминифер своеобразно. Зигота их растет. Ядро её многократно делится митотически и постепенно образуется взрослая, крупная многоядерная особь с хорошо развитой раковиной, именуемая агамонтом. Начальная камера раковины агамонта мала, и раковина называется микросферической. В определенный момент вся цитоплазма агамонта делится на одноядерные амебоидные агаметы. Перед образованием агамет происходит редукционное деление. Агамета растет и превращается во взрослую макроскопическую особь с одним ядром, называемую гамонтом. Из гамонта путем митотическогоделения ядра получаются жгутиковые гаметы, которые во внешней среде сливаются и образуют зиготу.
В жизненном цикле фораминифер представлены две формы размножения: бесполое и половое, которые закономерно чередуются. Агамонт – бесполое поколение, размножающееся путем множественного деления, гамонт – половое, продуцирующее гаметы.
У инфузорий половой процесс может происходить без партнера (автогамия) и с партнером (конъюгация). В последнем случае две инфузории временно соединяются между собой и, обменявшись частями своего ядерного аппарата, расходятся. И при автогамии, и при конъюгации перестройка ядерного аппарата сначала происходит одинаково. Макронуклеус резорбируется в цитоплазме, микронуклеус делиться дважды, в это время происходит редукция числа хромосом. Далее три из четырех ядер разрушаются и резорбируются в цитоплазме, а четвертое снова делится. В результате каждая особь обладает двумя ядрами, происшедшими из микронуклеуса. При автогамии эти ядра сливаются, а при конъюгации одно из них мигрирующее (мужское) покидает конъюганта и переходит в соседнюю особь, где и сливается с единственным оставшимся в ней стационарным (женским) ядром. То же происходит и в другом конъюганте. Затем инфузории отделяются друг от друга и у них также, как при автогамии, происходит процесс восстановления из вновь образовавшегося диплоидного ядра нормального ядерного аппарата: микро- и макронуклеуса, каждый из которых содержит диплоидный набор хромосом. Смысл автогамии инфузорий, вероятно, заключается в том, что время от времени обновляется макронуклеус в соответствии с наследственной информацией, хранимой микронуклеусом. При половом процессе у инфузорий иногда может происходить и деление клеток. Далее в макронуклеусе происходит увеличение числа хромосом, и он в отличие от микронуклеуса становиться полиплоидным.
С полиплоидностью макронуклеуса связывают усложнение строения инфузорий по сравнению с другими простейшими. Общеизвестно, что полиплоидия может снижать плодовитость, т.е. препятствует размножению. Инфузории «преодолевают» это препятствие благодаря тому, что микронуклеус остается диплоидным, а макронуклеус в размножении не участвует. Специфика ядерного аппарата инфузорий возникла, вероятно, на основе развивающейся ранее дифференцировки на ядра соматические и генеративные. Известно, что у некоторых фораминифер соматические ядра управляют обменом веществ, а генеративные хранят и передают наследственную информацию следующему поколению.
В классе споровиков, ведущих исключительно паразитический образ жизни, наблюдается чередование своеобразного бесполого размножения (шизогонии) и полового. У внутриклеточных паразитов – кокцидий, которые имеют вид округлых или овальных клеток, в теле хозяина происходит множественное деление – шизогония. Особь, называемая на этой стадии шизонтом становиться многоядерной. Затем тело кокцидии распадается на мелкие одноядерные клетки – мерозоиты. Они активно проникают в соседние клетки и там вновь превращаются в шизонтов и претерпевают шизогонию. После нескольких бесполых поколений наступает половой процесс. При этом мерозойты, внедрившиеся в клетки хозяина, дают начало гаметоцитам – стадиям, из которых образуются гаметы. Гаметы сливаются, образовавшаяся зигота выделяет оболочку и превращается в ооцисту. Ооцисты выводятся наружу. Их дальнейшее развитие происходит вне тела хозяина, так как для этого процесса необходим доступ кислорода. В ооцисте развиваются споры, при этом происходит редукция числа хромосом. Внутри каждой из спор после деления ядра образуется по два спорозоита. Если ооциста на этой стадии попадает в тело хозяина, то спорозоиты, имеющие гаплоидный набор хромосом, выходят из спор и из ооцисты и начинают новый цикл развития.
У некоторых споровиков, например у малярийного плазмодия, в отличие от кокцидий размножение происходит со сменой хозяина. Возбудители малярии – малярийные плазмодии попадают в тело человека на стадии спорозоита при укус комара рода Anopheles. Здесь они превращаются в шизонтов, благодаря делению которых образуются мерозоиты, расселяющиеся по клеткам печени и эритроцитам. После нескольких циклов бесполого размножения, начинается подготовка к половому размножению, при этом внедрившиеся в эритроциты мерозоиты дают начало не шизонтам, а гамонтам. Дальнейшее развитие гамонтов в крови человека не происходит. Оно осуществляется только в том случае, если они с кровью попадут в кишечник комара. Там образуются мужские и женские гаметы, которые сливаются и дают подвижную зиготу. Она внедряется в стенку кишечника комара и превращается в ооцисту. Ядро зиготы многократно делится, и содержимое распадается на множество спорозоитов. В это время оболочка ооцисты лопается, и спорозоиты в конце концов попадают в слюнные железы комара. При укусе комаром человека, спорозоиты через хоботок вносятся в ранку и попадают в кровь. Развитие малярийного плазмодия происходит со сменой хозяев. Животное, в котором происходит половое размножение, носит название основного хозяина. Бесполое размножение происходит в промежуточном хозяине. Человек – промежуточный хозяин малярийного плазмодия.
В итоге, простейших отличает не только разная сложность строения, разнообразие способов передвижения питания, но и разнообразие форм размножения. Иными словами, эту древнюю группу животных характеризует разнообразие по принципиально важным признакам.
Происхождение. Вопрос о происхождении простейших теснейшим образом связан с проблемой возникновения эукариотической клетки. Совершенно очевидно, что первое живое существо было значительно проще клетки. Клетка – результат длительного развития живого. Ф. Энгельс считал, что с момента появления жизни, до возникновения клетки прошло гораздо больше времени, чем понадобилось на развитие всегоразнообразия организмов, имеющих клеточное строение.
Теория симбиотического происхождения эукариотической клетки рассматривает её как симбиотический организм, объединивший ряд более простых организмов. Эта теория предполагает, что органеллы клетки (митохондрии, пластиды и др.) ранее были самостоятельными организмами.
В пользу этой теории свидетельствует то, что размножение органелл происходит независимо от ДНК ядра. Они имеют собственную ДНК, регулирующую их размножение. Органеллы, выделенные из клетки и помещенные в искусственную среду, могут сохранять жизнеспособность. Некоторые организмы очень сходны с органеллами клетки. Например цианеи (сине-зеленые водоросли), неотличимы от пластид, а митохондрии морфологически сходны с некоторыми бактериями.
Хорошим примером существования симбиотических организмов могут служить лишайники, которые представляют свободное сосуществование грибов и водорослей.
Лишайники – не единственный случай объединения двух самостоятельных организмов в единое целое. Известно сосуществование вирусов и бактерий. В этих случаях (бактериофаг) не убивает бактерию, а встраивается в её ДНК и в таком виде передается из поколения в поколение. При этом его ДНК не теряет способности самостоятельного воспроизводства. При делении бактериальной клетки размножается и вирус и хозяин. Присутствие в ДНК клетки-хозяина ДНК бактериофага меняет её свойства. Она становиться невосприимчивой к нему и в дальнейшем не может заражаться гомологичным вирусом. Меняется форма колоний, строение бактерий, способность употреблять в пищу те или иные вещества. В результате из двух организмов возникает один новый. У некоторых моллюсков в теле обнаружены функционирующие пластиды, сохраняющиеся от растений, которыми они питаются. В теле некоторых хищников сохраняются стрекательные капсулы жертвы, которые продолжают функционировать и используются ими для наблюдения и защиты. Так, функционирующие стрекательные капсулы были обнаружены у плоских червей и морских слизней. Удалось установить, что они попали в организм этих животных от кишечнополостных, которыми эти животные питаются.
Симбиотическая теория происхождения клетки принимается не всеми естествоиспытателями.
При анализе различных групп простейших возникает вопрос, какой из классов следует считать наиболее древним. Споровики и инфузории не могут быть признаны исходными организмами. У первых организация упрощена в связи с паразитическим образом жизни. Вторые характеризуются наибольшей сложностью строения. Саркодовые по морфологическим признакам проще жгутиковых. Тем не менее многие зоологи считали исходной группой простейших не саркодовых, а жгутиковых. По их мнению наиболее древние организмы должны были питаться автотрофно, а такой способ питания известен среди простейших только у жгутиковых.
Однако по современным представлениям фотосинтез нельзя считать древнейшим способом питания. Установлено, что органические вещества возникают в космосе и появились на нашей планете впервые абиогенным путем, раньше организмов. Они-то и могли использоваться для питания первичными организмами.
Вероятно, жгутиковые и саркодовые в виде самостоятельных групп произошли от единой группы древних примитивных, не сохранившихся до наших дней эукариотных гетеротрофных организмов, питающихся растворенными органическими веществами. В дальнейшей эволюции простейших роль саркодовых и жгутиковых неравноценна. Саркодовые – тупиковая ветвь, а от других жгутиковых произошли инфузории, и, вероятно, споровики; от колониальных жгутиковых произошли многоклеточные животные.
Лекция №3
Многоклеточные
Многоклеточные животные отличаются от простейших тем, что клетки их всегда дифференцированы как по строению, так и по функции, и, будучи лишь частями сложного организма, утратили свою самостоятельность.
Приспособительное значение многоклеточности заключается, видимо, в том, что экономиться энергия, которая затрачивается на сохранение целостности организма. Изучение клеток тканей показало, что работа по сохранению их целостности совершается лишь на тех частях поверхностной мембраны каждой клетки, которые обращены в окружающую среду, и не производится на всех участках, которые прилегают к другим клеткам.
Тип Губки (Spongia)
Самые примитивные многоклеточные – губки. Они живут в воде, главным образом в теплых морях, прикрепляются к подводным предметам. В современной фауне насчитывается около 5000 видов.