Биология с основами экологии

Биол огия с основами экологии 1.Биосинтез белка. 2.Взаимодействие организмов в экос истемах . 3.Биоритмы и биологические часы . Каково их биологическое значение в жизни организмов ? 4.Проанализируйте эволюцию нервной системы животных от низших до высших многоклеточных ". Введение Одной из задач современной биологии и ее новейших разделов – молекулярной биологии, биоорганической химии, физико-химической биологии – является расшифровка механизмов синтеза молекулы белка, содержащей сотни, а иногда и тысячи остатков аминокислот. Механизм синтеза должен обладать точной кодирующей системой, которая автоматически программирует включение каждого аминокислотного остатка в определенное место полипептидной цепи Кодирующая система определяет первичную структуру, а вторичная и третичная структуры белковой молекулы определяются физико-химическими свойствами и химическим строением аминокислот. Биосинтез белка можно разделить на стадии транскрипции , процессинга и трансляции . Во время транскрипции происходит считывание генетической информации , зашифрованной в молекулах ДНК , и запись этой информации в молекулы мРНК . В ходе ряда последовательных стадий процессинга из мРНК удаляются некоторые фрагменты , ненужные в последующих стадиях , и происходит редактирование нуклеотидных последовательностей . После транспортировки кода из ядра к рибосомам происходит собственн о синтез белковых молекул , путем присоединения отдельных аминокислотных остатков к растущей полипептидной цепи. 1. Биосинтез белка Биосинтез белка — сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислотных остатков , происходящий на рибо сомах клеток живых организмов с участием молекул иРНК и тРНК. Транскрипция Транскрипцией называется процесс считывания генетического кода с молекулы ДНК . При этом на одной из цепочек ДНК синтезируется одноцепочечная молекула информационной или матричной РН К (мРНК ), согласно принципу комплементарности . Последовательность из трех нуклеотидов в мРНК , соответствующая последовательности в ДНК , кодирующая определенную аминокислоту , называется кодоном . Основную роль в транскрипции играет фермент РНК-полимераза. Пр оцессинг Между транскрипцией и трансляцией молекула мРНК претерпевает ряд последовательных редактирований , которые обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза полипротеиновой цепочки . С появлением процессинга в эукариотической клетке стало возможено комбинирование экзонов гена для получения большего разнообразия белков , кодируемым единой последовательностью нуклеотидов ДНК. После полиаденилирования мРНК подвергается удалению интронов . Процесс катализируется сплайсосомой и называется сплайсин гом. Трансляция Трансляция заключается в синтезе полипептидной цепи в соответствии с информацией , закодированной в матричной РНК . Аминокислотная последовательность выстраивается при помощи транспортных РНК (тРНК ), которые образуют с аминокислотами комплекс ы — аминоацил-тРНК . Каждой аминокислоте соответствует своя тРНК , имеющая соответствуюищий антокодон , «подходящий» к кодону мРНК . Во время трансляции рибосома движется вдоль мРНК , по мере этого наращивается полипептидная цепь . Энергией биосинотез белка обе с печивается за счет АТФ. Готовая белковая молекула затем отщепляется от рибосомы и транспортируется в нужное место клетки . Для достижения своего активного состояния некоторые белки требуют дополнительной посттрансляционной модификации. 2. Взаимодействие ор ганизма в экосистемах Основополагающим объектом изучения экологии является взаимодействие пяти уровней организации материи : живые организмы , популяции , сообщества , экосистемы и экосфера. Живой организм – это любая форма жизнедеятельности. Популяция – эт о группа организмов одного вида , проживающих в определенном районе (местообитании ). Примерами популяций являются все окуни в пруду , белки в лесах Московской области , население в отдельной стране или население Земли в целом. Вид – это совокупность популяций особей , представители которых фактически или потенциально скрещиваются друг с другом в естественных условиях. Каждый организм или популяция имеет свое местообитание : местность или тип местности , где они проживают . Когда несколько популяций различных видов живых организмов живут в одном месте и взаимодействуют друг с другом , они создают так называемое сообщество , или биологическое сообщество . Таким образом , сообщество - комплекс взаимосвязанных популяций разных видов , обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования. Экосистема – это совокупность сообществ , взаимодействующих с химическими и физическими факторами , создающими неживую окружающую среду . Другими словами , экосистема - это система , образуемая биотическим со обществом и абиотической средой. Переходная область между двумя смежными экосистемами называется экотон . Главные экосистемы суши , такие , как леса , степи и пустыни , называются наземными экосистемами , или биомами . Экосистемы гидросферы называются водными эк осистемами. Примерами таких экосистем являются пруды , озера , реки , открытый океан , коралловые рифы и т.п . Все экосистемы Земли составляют экосферу. Экосфера – совокупность живых и неживых организмов (биосфера ), взаимодействующих друг с другом и со своей не живой средой обитания (энергией и химическими веществами ) в планетарном масштабе. I. Абиотические компоненты экосистем. Экосистема состоит из различных живых и неживых компонентов . Неживые , или абиотические , компоненты экосистемы включают различные физичес кие и химические факторы . К важным физическим факторам относятся : a. солнечный свет ; b. тень ; c. испарение ; d. ветер ; e. температура ; f. водные течения. Главными химическими факторами являются питательные элементы и их соединения в атмосфере , гидросфере и земной коре , необходимые в больших или малых количествах для существования , роста и размножения организмов. Наиболее важные для жизни химические элементы , необходимые в больших количествах , называются макроэлементами (С , О , Н , N, P, S, Ca, Mg, K, Na). Элем енты , необходимые для жизни в малых или следовых количествах – микроэлементы (Fe, Cu, Zn, Cl). II. Биотические компоненты экосистем. Основные типы организмов , которые формируют живые , или биотические , компоненты экосистемы , принято подразделять по преоблад ающему способу питания на продуцентов , консументов и редуцентов. Продуценты - это организмы , производящие органические соединения из неорганических . Продуценты (в большинстве своем зеленые растения ) создают органические вещества в процессе фотосинтеза или хемосинтеза . Эти органические вещества используются продуцентами как и как строительный материал для клеток и тканей организма. Фотосинтез может быть представлен следующим образом : Хемосинтез – преобразование неорганических соединений в питательные органические вещества в отсутствие солнечного света , за счет энергии химических реакций. Только продуценты способны сами производить для себя пищу . Более того , они непо средственно или косвенно обеспечивают питательными элементами консументов и редуцентов. По типу питания все продуценты являются автотрофами - сами производят органические вещества из неорганических . Консументы и редуценты по типу питания являются гетеротро фами - питаются органическим веществом , произведенным другими живыми организмами . Консументы – организмы , получающие питательные вещества и необходимую энергию , питаясь живыми организмами - продуцентами или другими консументами. Редуценты – организмы , пол учающие питательные вещества и необходимую энергию питаясь останками мертвых организмов (животных , растений ). В зависимости от источников питания консументы подразделяются на три основных класса : - фитофаги (растительноядные ) – это консументы 1-го порядка , питающиеся исключительно живыми растениями . Например , птицы едят семена , почки и листву. - хищники (плотоядные ) – консументы 2-го порядка , которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами ), а также консументы 3-го порядка , питающиес я только плотоядными животными. - эврифаги (всеядные ), которые могут поедать как растительную , так и животную пищу . Примерами являются свиньи , крысы , лисы , тараканы , а также человек. Существует два основных класса редуцентов : 1. Детритофаги – напрямую потр ебляют мертвые организмы или органические остатки . (пример : шакалы , грифы , дождевые черви ). 2. Деструкторы – разлагают мертвую органическую материю на простые неорганические соединения (процесс гниения и разложения ). Примером могут служить грибы и микроско пические одноклеточные бактерии. Потоки энергии в экосистемах. Химическая энергия , накопленная в глюкозе и других углеводородах , используется продуцентами , консументами и редуцентами для поддержания жизнедеятельности , что является частью одностороннего дви жения энергии через организмы в экосистеме. Преобразование органических соединений в энергию происходит за счет клеточного дыхания в митохондриях клетки : Получение органических соединений происходит в основном за счет фотосинтеза : 3. Биоритмы и биологические часы . Каково их биологическое значение в жизни организмов ? Изучением ритмов активности и пассивности , протекающих в нашем организме , занимается особая наука – биоритмология . Согласно этой науке, большинство процессов , происходящих в организме , синхронизированы с периодическими солнечно-лунно-земными , а также космическими влияниями . И это неудивительно , ведь любая живая система , в том числе и человек, находится в состоянии об мена информацией , энергией и веществом с окружающей средой . Если этот обмен (на любом уровне – информационном , энергетическом, материальном ) нарушается , то это отрицательно сказывается на развитии и жизнедеятельности организма. Каждый организм , существующи й на Земле , является своеобразными часами. Все организмы – плоды эволюции , на протяжении трех миллиардов лет жизнь на Земле развивалась и приспосабливалась , непрерывно и бесконечно передавая информацию от клетки к клетке , из поколения в поколение . Все живы е организмы несут в себе все изменения , накопленные в этом долгом процессе развития , поэтому мы так хорошо приспосо блены к неустанному вращению на шей планеты. Физиологическое время , так же как и местное время на вращающейся планете , имеет циклический харак тер . Для любых часов , внешних или внутренних , подстройка (сдвиг ) на один или нескольких полных циклов не дает заметного эффекта . Однако сдвиг биологических часов на часть цикла приводит к ощутимым физиологическим последствиям , как показывает феномен перепа да времени при трансмеридианных перелетах . Такое смещение внутри цикла называется сдвигом фазы , то есть положения повторяющегося процесса в его собственном цикле (например , фазы Луны ). Помимо эффекта перепада времени , открытого лишь недавно в связи с трнсм ередианными перелетами , существует постоянная необходимость подстраивать фазу биологических часов из-за небольшого расхождения между собственным периодом этих часов и периодом вращения Земли . Несоответствие этих периодов на час или около того обычно для мн огих биологических видов, имеющих достаточно точные внутренние часы . У человека , например , период часов близок к 24 часам . Отклонение на час составляет всего 4% суток , – очевидно , это вполне допустим о . Из-за близости периода к земным суткам биологические часы этого класса были названы циркадианными (от лат . Circa – около , приблизительно и dies – день , сутки ). Анаболизм – это биологический процесс , при котором простые вещества соединяются между собой , что приводит к построению новой протоплазмы, росту и на коплению энергии. Катаболизм – это противоположный анаболизму процесс расщепление сложных веществ на более простые , при этом ранее накопленная энергия освобождается и производится внешняя или внутренняя работа. Таким образом , анаболические процессы ведут к наращиванию протоплазмы , а катаболические , наоборот , – к уменьшению и ее деструктуризации . Но эти два процесса , сочетаясь , взаимно усиливают друг друга . Так , процессы распада клеточных структур стимулируют их последующий синтез , а чем больше сложных струк тур накапливается в протоплазме , тем активнее может идти последующее расщепление с высвобождением большого количества энергии . В этом случае наблюдается максимальная жизнедеятельность клетки , а , следовательно , всего организма в целом. Руководят этим ритмом свет и температура . Чем сильнее эти два фактора , тем выражение циклоз (перемешивание протоплазмы ) и активнее ферменты . К тому же с 3 до 15 часов происходит сдвиг внутренней среды организма в кислую сторону . Умеренная физическая нагрузка дополнительно спос обствует сдвигу КЩР (кислотно-щелочного равновесия ) в сторону закисления . Таким образом, светлое время суток способствует активизации катаболических процессов в каждой клетке организма. 4. Проанализируйте эволюцию нервной системы животных от низших до выс ших многоклеточных ". Эволюция психики живых организмов Земли осуществлялась на основе всех общих закономерностей этого процесса . Повышение общего уровня жизнедеятельности организмов , усложнение их взаимоотношений с окружающим миром приводило в ходе эволюц ии к необходимости более интенсивных контактов со всем многообразием среды обитания , к совершенствованию передвижения и к активному обращению с окружающими предметами . Совершенствование ориентации во времени и пространстве , способствующее выживанию наибол е е приспособленных особей , могло обеспечить только усложнение поведения и психического отражения . При этом необходимо обратить внимание на взаимозависимость и параллелизм развития психики и двигательной активности . Как указывает К.Э . Фабри , именно движение (первично локомоция , а впоследствии и манипулирование ) являлось решающим фактором эволюции психики . С другой стороны , без прогрессивного развития психики не могла бы совершенствоваться двигательная активность животных , не могли бы осуществляться биологиче с ки адекватные двигательные реакции и , следовательно , не могло бы быть эволюционного развития. Конечно , психическое отражение не оставалось неизменным в ходе эволюции , а само претерпевало глубокие качественные преобразования. При этом врожденное и приобре таемое поведение не являются последовательными ступенями на эволюционной лестнице , а развиваются и усложняются совместно , как два компонента одного единого процесса . Прогрессивному развитию инстинктивного , генетически фиксированного поведения соответствуе т прогресс в области индивидуально-изменчивого поведения . Инстинктивное поведение достигает наибольшей сложности как раз у высших животных , и этот прогресс влечет за собой развитие и усложнение у них форм обучения. Низший уровень стадии элементарной сенсорн ой психики , на котором находятся простейшие и низшие многоклеточные организмы , живущие в водной среде , характеризуется тем , что здесь в достаточно развитом виде представлена раздражимость - способность живых организмов реагировать на биологически значимые воздействия среды повышением уровня своей активности , изменением направления и скорости движений . Чувствительность как способность реагировать на биологически нейтральные свойства среды и готовность к научению методом условных рефлексов еще отсутствует . Д в игательная активность животных еще не имеет поискового , целенаправленного характера. На высшем уровне развития этой стадии психики у животных отмечается выделение специализированного органа , осуществляющего сложные манипулятивные движения организма с пред метами внешнего мира . Таким органом у низших животных являются челюсти . Они заменяют им руки , которые есть только у человека и некоторых высших живых существ . Челюсти сохраняют свою роль как основной орган манипуляций и исследования окружающего мира в теч е ние длительного периода эволюции , вплоть до освобождения для этой цели передних конечностей животного. 1. Простейшие . К наиболее типичным представителям рассматриваемой здесь группы животных относятся простейшие . Организм представителей этого типа состоит из единственной клетки , обеспечивающей все жизненные потребности животного . Филогенез простейших шел фактически параллельно развитию многоклеточных животных , что нашло свое отражение в формировании у простейших аналогов систем органов , так называемых орга н елл. 2. Кишечнополостные . У представителей типа кишечнополостных уже отмечаются зачатки нервной системы. В своей простейшей форме она встречается у гидр и актиний , представляя собою нервную сеть , состоящую из разбросанных нервных клеток с отростками , пере плетающимися между собой . Такая нервная сеть не имеет особых центров , и возбуждение проходит по всем направлениям . Подобная первичная нервная система называется рассеянной , или диффузной. 3. Плоские черви . Низшие ресничные черви , или турбеллярии , имеют зна чительно более совершенную нервную систему по сравнению с ранее описанными группами животных. Общая характеристика низшего уровня элементарной сенсорной психики (по Фабри , 1976). Итак , на низшем уровне элементарной сенсорной психики поведение животных выст упает в достаточно разнообразных формах , но все же с примитивными проявлениями психической активности . Простейшим свойственна элементарная форма психического отражения - ощущение , т.е . чувствительность в собственном смысле слова . Как утверждает Леонтьев , д аже низший уровень психического отражения не является низшим уровнем отражения вообще , существующего в живой природе , в частности растениям присуще допсихическое отражение , при котором имеют место лишь процессы раздражимости. Степень и качества психическо го отражения определяются тем , насколько развиты способности к движению , пространственно-временной ориентации и к изменению врожденного поведения . У простейших встречаются разнообразные формы передвижения в водной среде только на самом примитивном уровне и нстинктивного поведения - кинезов . Ориентация поведения осуществляется только на основе ощущений и ограничена элементарными формами таксисов , позволяющими животному избегать неблагоприятные внешние условия. Высший уровень элементарной сенсорной психики (по Фабри , 1976). Следующий , высший уровень стадии элементарной сенсорной психики , которого достигают живые существа типа иглокожих , кольчатых червей и брюхоногих моллюсков , характеризуется появлением первых элементарных ощущений , а также органов манипулиров а ния в виде щупальцев и челюстей . Наиболее изученными из них являются кольчатые черви , к которым относятся живущие в морях многощетинковые черви (полихеты ), малощетинковые черви ( олигохеты ), наиболее известным представителем которых является дождевой черв ь , и пиявки . Характерным признаком их строения является внешняя и внутренняя метамерия : тело состоит из нескольких , большей частью идентичных , сегментов , каждый из которых содержит "комплект " внутренних органов , в частности пару симметрично расположенных г а нглиев с нервными комиссурами , в результате нервная система кольчатых червей имеет вид "нервной лестницы ". На этом уровне развития психики находятся и низшие хордовые , которые вместе с позвоночными составляют тип хордовых . К низшим хордовым относятся обол очники и бесчерепные . Оболочники , или асцидии - морские животные , часть которых ведет неподвижную жизнь . Бесчерепные представлены всего двумя семействами с тремя родами мелких морских животных , наиболее известное из которых - ланцетник. Изменчивость повед ения животных , находящихся на этом уровне развития психики дополняется появлением способности к приобретению и закреплению жизненного опыта . На этом уровне уже существует чувствительность . Двигательная активность совершенствуется и приобретает характер це л енаправленного поиска биологически полезных и избегания биологически вредных воздействий. Виды приспособительного поведения , приобретаемые в результате мутаций и передаваемые из поколения в поколение благодаря естественному отбору , оформляются в качестве инстинктов. 1. Кольчатые черви . Среди большой группы кольчатых червей , являющихся эволюционными потомками плоских червей , особое место занимают представители класса олигохета - дождевые черви , на которых проводились основные опыты , связанные с изучением их реакций на разнообразные агенты среды и с выработкой условных рефлексов . У червей нервные узлы (ганглии ) расположены вдоль всего тела в виде симметричной цепочки . Каждый узел состоит из грушевидных клеток и густого сплетения нервных волокон . От клеток от х одят нервные волокна к мышцам и к внутренним органам (двигательные волокна ). Под кожным покровом червя расположены чувствительные клетки , которые соединяются своими отростками (чувствительные волокна ) с нервными узлами . Нервная система подобного типа назы в ается цепочечной , или ганглиозной. 2. Моллюски . Изменение среды обитания , переход животных из водной среды в наземную и воздушную обусловили возникновение новых функций , связанных с изменением способов передвижения , строения тела , нервной системы и органо в чувств . В соответствии с этим изменилось и поведение животных , расширилась их деятельность и усложнились формы отражения ими окружающего мира. 3. Общая характеристика высшего уровня элементарной сенсорной психики . Как уже отмечалось , наиболее низкооргани зованные формы многоклеточных беспозвоночных стоят на том же уровне психического развития , что и высшие представители простейших . Но то , что здесь не обнаруживаются существенные различия в поведении , несмотря на глубокие различия в строении , не должно нас удивлять , ибо , как уже говорилось , простейшие олицетворяют собой совершенно особую , рано отклонившуюся филогенетическую ветвь , которая до известных пределов развивалась параллельно ветви низших многоклеточных животных. Качественный скачок в развитии психик и и поведения животных происходит на следующей , перцептивной стадии . Ощущения здесь объединяются в образы , а внешняя среда начинает восприниматься в виде вещественно оформленных , расчлененных на детали в восприятии , но образно целостных предметов , а не от д ельных ощущений . В поведении животных с очевидностью выступает тенденция ориентироваться на предметы окружающего мира и отношения между ними . Наряду с инстинктами возникают и более гибкие формы приспособительного поведения в виде сложных , изменчивых двига т ельных навыков. Весьма развитой оказывается двигательная активность , включающая движения , связанные с изменением направления и скорости Деятельность животных приобретает более гибкий , целенаправленный характер . Все это происходит уже на низшем уровне перце птивной психики , на котором , по предположению , находятся рыбы , другие низшие позвоночные , некоторые виды беспозвоночных и насекомые. Следующий , высший уровень перцептивной психики включает высших позвоночных : птиц и некоторых млекопитающих . У них уже можн о обнаружить элементарные формы мышления , проявляемого в способности к решению задач в практическом , наглядно-действенном плане . Здесь мы отмечаем готовность к научению , к усвоению способов решения таких задач , их запоминанию и переносу в новые условия. Н аивысшего уровня развития перцептивной психики достигают обезьяны. Насекомые . Дальнейшее развитие и усложнение сегментарной нервной системы наблюдается у высших беспозвоночных животных - насекомых. По сравнению с червями и моллюсками , у них усложняется в нешнее и внутреннее строение тела , которое делится на голову , грудь , брюшко , появляются крылья , конечности и т.д. Головоногие моллюски . Головоногие - самые необычайные , крупные , и самые совершенные из всех моллюсков . Они достигли весьма высокой степени раз вития . Это своего рода приматы среди беспозвоночных обитателей моря. Нервная система головоногих моллюсков сложнее , чем у всех других беспозвоночных животных . Ганглии ее очень велики и так плотно сближены друг с другом , что , по существу , образуют единую в ысокоспециализированную нервную массу . По тонкости своих чувств , точности восприятия и сложности ответных реакций и поведения головоногие превосходят многих морских животных. Рыбы . В соответствии с изменением природных условий у позвоночных животных развив ается определенное строение тела и нервной системы , а также возникают характерные формы поведения . У рыб , например , условия существования в воде не только создали ряд особенностей строения тела , но и своеобразную инстинктивную деятельность в области размн о жения , питания и самосохранения. Амфибии . Класс амфибий представляет первый этап на пути перехода позвоночных от водного существования к наземному . Изменение водного образа жизни - переход к полуводному и полуназемному - привело к изменению внешнего вида , строения тела , мозга , органов чувств и основных типов поведения этих животных. Общая характеристика низшего уровня перцептивной психики (по Фабри , 1976). Таким образом , на низшем уровне перцептивной психики уже представлены все те прогрессивные признаки , к оторые характеризуют перцептивную психику вообще , но во многих отношениях поведение относящихся сюда животных носит и примитивные черты , сближающие его с поведением нижестоящих животных . Так , основную роль играет ориентация поведения , по-прежнему , по отде л ьным свойствам предметов , но не по предметам как таковым . Предметное восприятие явно играет еще подчиненную роль в поведении , в котором преобладают ригидные , жестко запрограммированные , сугубо инстинктивные элементы. Пути эволюции перцептивной психики . "В мире животных процесс эволюции привел к трем вершинам : позвоночные , насекомые и головоногие моллюски . Соответственно высокому уровню строения и жизнедеятельности этих животных мы наблюдаем у них и наиболее сложные формы поведения и психического отражения. Представители всех трех "вершин " способны к предметному восприятию , хотя , очевидно , только у позвоночных эта способность получила полное развитие . У остальных двух групп перцепция развилась своеобразными путями и качественно отличается от таковой у позвон о чных . Аналогично обстоит дело и с другими решающими критериями стадии перцептивной психики , не говоря уже о том , что высшего уровня развития перцептивной психики достигли в процессе эволюции вообще только представители позвоночных , и то явно не все . Тольк о у высших позвоночных обнаруживаются все наиболее сложные проявления психической деятельности , которые вообще встречаются в мире животных. Высший уровень развития перцептивной психики. К высшим позвоночным относятся только два класса : птицы и млекопитающи е , в пределах которых и обнаруживаются проявления высших психических способностей животных . Среди низших позвоночных намечаются промежуточные ступени психического развития , характеризующиеся разными сочетаниями элементов низшего и высшего уровней перцепти в ной психики. Список литературы 1. Агаджанян Н.А . Зерно жизни (Ритмы биосферы ). – М .: Сов . Россия, 2. 1977. – 256с. 3. Березов Т . Т ., Коровкин Б . Ф . Биологическая химия //Учебная литература для студентов медицинского института , 1990. 4. А . С . Спирин Вестни к Российской академии наук , том 71,2001. 5. Кнорре Д.Г ., Мызина С.Д Биологическая химия : Учебник /.-3-е , испр . изд.-М .: Высш.шк ., 2000. 6. В.И.Агол ; Ред . А.С.Спирин-М Молекулярная биология : Структура и биосинтез нуклеиновых кислот : Учеб . для биол . спец . вуз ов / Высш.шк ., 1990. 7. Фабри К.Э . Основы зоопсихологии . М ., 1976. 8. Сергеев Б.Ф . Ступени эволюции интеллекта . М ., 1986.