А1. Биология (греч.bios ,— жизнь, logos— учение, наука) — наука о живой природе. Термин «биология» впервые был предложен в 1802 г. французским натуралистом Ж. Б. Ламарком и независимо от него немецким ботаником Г Р. Тревиранусом.

История развития биологии насчитывает более 2000 лет. Еще античными врачами и философами были предприняты попытки познания живых объектов (Гиппократ, Гален, Аристотель), К эпохе Возрождения относятся исследования, положившие начало ботанике, зоологии, анатомии (Везалий).

У. Гарвей (1578—1657) открыл механизм кровообращения; изготовил микроскоп;

1665 г. — Р.Гук описал клеточное строение пробки; ввел термин «клетка»;

1677 г. — АЛевенгук наблюдал под микроскопом (увеличивающим в 300 раз) простейших, бактерии,сперматозоиды;

1826 г. — К.Бэр наблюдал яйцеклетку млекопитающих;

1828 г. — Р.Броун открыл клеточное ядро;

1735 г. — К. Линней создал систему классификации растений и животных;

XVIII в. — в России М.ВЛомоносов и Л.Эйлер создали современный по тем временам микроскоп, позволяющий вести наблюдения за разнообразными биологическими объектами;

1838, 1839 гг. — Т.Шванн, М.Шлейден независимо друг от друга сформулировали клеточную теорию, согласно которой клетки признавались элементарной единицей строения растений и животных;

1858 г. — Р.Вирхов создал учение о клеточной патологии, ввел постулат: «каждая клетка из клетки»;

1859 г. — Ч. Дарвин создал эволюционную теорию;

1865 г. — Г.Мендель открыл закон наследования признаков, что способствовало рождению генетики как науки;

1881 г. — Л.Пастер открыл принцип вакцин, заложил основы микробиологии и иммунологии;

1882 г. — И.Мечников сформулировал фагоцитар­ную теорию, был награжден Нобелевской премией;

1900 г. — К.Ландштейнер открыл группы крови человека, был награжден Нобелевской премией;

1953 г. — Дж. Уотсон и Ф.Крик расшифровали структуры ДНК, были награждены Нобелевской премией.

Задачей общей биологии является выявление, а также объяснение общих процессов и явлений для всех организмов. Биология как наука позволяет накопить знания  о происходящем в живом мире, хранить их на различных носителях и использовать по мере необходимости.

Биологические науки подразделяют по типу исследуемых организмов.

Зоология изучает животных, ботаника - растения, а микробиология изучает одноклеточные микроорганизмы.

Внутри, биология как наука делится на области по масштабу исследования, или по применяемым методам. Так, предметом изучения гистологии и анатомии является строение организма и тканей, генетики – передача наследственной информации, биохимии - химические основы жизни, молекулярной биологии - взаимодействие между биологическими молекулами, физиологии - химические и физические функции органов и др.

Признаки живого организма:

- обладает сложным внутренним строением;

- у любой части организма имеется специальное назначение, и она выполняет возложенные на нее функции;

- извлекает, преобразовывает и использует энергию, поступающую из окружающей среды, обменивается веществом и энергией;       

- реагируют на изменение окружающей среды (на внешний раздражитель);

- способность к адаптации, то есть организмы приспосабливаются к окружающей среде;

- способность к размножению;

-способность к эволюции (происходит изменение от простого к сложному).

Мир живого разнообразен и имеет сложную структуру. Организация жизни осуществляется на различных уровнях.

1. Самый нижний уровень – молекулярных структур.

2. Клеточный уровень.

3. Органно - тканевый уровень. При этом уровне организмы являются многоклеточными.

4. Целостного организма.

5. Популяционно-видовой уровень.

6. Уровень биоценозов, то есть сообществ всех видов, которые населяют территорию.

7. Биосфера. Это совокупность живого на Земле.

Целостная (живая) система обладает следующими качествами:

- единство химического состава;

-  открытость живых систем;

- живые системы – саморегулирующиеся, самоорганизующиеся, самоуправляющиеся, самовоспроизводящиеся системы;

- изменчивость;

- способность к развитию и росту, то есть к увеличению в массе и размерах, возникновению новых качеств и черт;

- дискретность и целостность.

Методы изучения.

Биология для изучения живых организмов применяет множество разнообразных методов. Например, к ним можно отнести:

- Наблюдение.

Дает возможность выявлять объекты и различные явления.

- Эксперимент.

Моделируется ситуация, при которой выявляются свойства изучаемых биологических объектов.

- Сравнение.

Позволяет устанавливать общие для различных явлений закономерности.

- Исторический метод.

Познание осуществляется с учетом имеющихся данных об органическом мире.

Для изучения биологических объектов применяется различная техника. Это: компьютеры, микроскопы, химические анализаторы, ультрацентрифуги, и многая другая техника.

Биология как наука очень важна для людей, так как исследования, которые проводятся, позволяют нам больше знать о процессах и явлениях происходящих в живом мире и использовать этот бесценный опыт в повседневной жизни, решить глобальные мировые проблемы. Знание законов биологии позволяет решить практические задачи, например, обеспечить население продовольствием. Агрономия и зоотехника опираются на биологию. Медицина не может обойтись без знания структуры (анатомии) тела человека.

А2. Клеточная теория — основополагающая для биологии теория, сформулированная в середине XIX века, предоставившая базу для понимания закономерностей живого мира и для развития эволюционного учения. Маттиас Шлейден и Теодор Шванн сформулировали клеточную теорию, основываясь на множестве исследований о клетке (1838). Рудольф Вирхов позднее (1858) дополнил её важнейшим положением (всякая клетка происходит от другой клетки).

Шлейден и Шванн, обобщив имеющиеся знания о клетке, доказали, что клетка является основной единицей любого организма. Клетки животных, растений и бактерии имеют схожее строение. Позднее эти заключения стали основой для доказательства единства организмов. Т. Шванн и М. Шлейден ввели в науку основополагающее представление о клетке: вне клеток нет жизни. Клеточная теория дополнялась и редактировалась с каждым разом.

Положения клеточной теории Шлейдена-Шванна

1. Все животные и растения состоят из клеток.

2. Растут и развиваются растения и животные путём возникновения новых клеток.

3. Клетка является самой маленькой единицей живого, а целый организм — это совокупность клеток.

Основные положения современной клеточной теории

1. Клетка - элементарная единица живого, вне клетки жизни нет.

2. Клетка - единая система, она включает множество закономерно связанных между собой элементов, представляющих целостное образование, состоящее из сопряжённых функциональных единиц - органоидов.

3. Клетки всех организмов гомологичны.

4. Клетка происходит только путём деления материнской клетки, после удвоения её генетического материала.

5. Многоклеточный организм представляет собой сложную систему из множества клеток, объединённых и интегрированных в системы тканей и органов, связанных друг с другом.

6. Клетки многоклеточных организмов тотипотентны.

Дополнительные положения клеточной теории

Для приведения клеточной теории в более полное соответствие с данными современной клеточной биологии список её положений часто дополняют и расширяют. Во многих источниках эти дополнительные положения различаются, их набор достаточно произволен.

1. Клетки прокариот и эукариот являются системами разного уровня сложности и не полностью гомологичны друг другу (см. ниже).

2. В основе деления клетки и размножения организмов лежит копирование наследственной информации — молекул нуклеиновых кислот («каждая молекула из молекулы»). Положения о генетической непрерывности относится не только к клетке в целом, но и к некоторым из её более мелких компонентов — к митохондриям, хлоропластам, генам и хромосомам.

3. Многоклеточный организм представляет собой новую систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединённых и интегрированных в системе тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических факторов, гуморальных и нервных (молекулярная регуляция).

4. Клетки многоклеточных тотипотентны, то есть обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной экспрессией (работой) различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию — к дифференцировке.

История

XVII век

1665 год — английский физик Р. Гук в работе «Микрография» описывает строение пробки, на тонких срезах которой он нашёл правильно расположенные пустоты. Эти пустоты Гук назвал «порами, или клетками». Наличие подобной структуры было известно ему и в некоторых других частях растений.

1670-е годы — итальянский медик и натуралист М. Мальпиги и английский натуралист Н. Грю описали в разных органах растений «мешочки, или пузырьки» и показали широкое распространение у растений клеточного строения. Клетки изображал на своих рисунках голландский микроскопист А. Левенгук. Он же первым открыл мир одноклеточных организмов — описал бактерий и протистов (инфузорий).

Исследователи XVII века, показавшие распространённость «клеточного строения» растений, не оценили значение открытия клетки. Они представляли клетки в качестве пустот в непрерывной массе растительных тканей. Грю рассматривал стенки клеток как волокна, поэтому он ввёл термин «ткань», по аналогии с текстильной тканью. Исследования микроскопического строения органов животных носили случайный характер и не дали каких-либо знаний об их клеточном строении.

XVIII век

В XVIII веке совершаются первые попытки сопоставления микроструктуры клеток растений и животных. К. Ф. Вольф в работе «Теории зарождения» (1759) пытается сравнить развитие микроскопического строения растений и животных. По Вольфу, зародыш как у растений, так и у животных развивается из бесструктурного вещества, в котором движения создают каналы (сосуды) и пустоты (клетки). Фактические данные, приводившиеся Вольфом, были им ошибочно истолкованы и не прибавили новых знаний к тому, что было известно микроскопистам XVII века. Однако его теоретические представления в значительной мере предвосхитили идеи будущей клеточной теории.

XIX век

В первую четверть XIX века происходит значительное углубление представлений о клеточном строении растений, что связано с существенными улучшениями в конструкции микроскопа (в частности, созданием ахроматических линз).

Линк и Молднхоуэр устанавливают наличие у растительных клеток самостоятельных стенок. Выясняется, что клетка есть некая морфологически обособленная структура. В 1831 году Моль доказывает, что даже такие, казалось бы, неклеточные структуры растений, как водоносные трубки, развиваются из клеток.

Мейен в «Фитотомии» (1830) описывает растительные клетки, которые «бывают или одиночными, так что каждая клетка представляет собой особый индивид, как это встречается у водорослей и грибов, или же, образуя более высоко организованные растения, они соединяются в более и менее значительные массы». Мейен подчёркивает самостоятельность обмена веществ каждой клетки.

В 1831 году Роберт Броун описывает ядро и высказывает предположение, что оно является постоянной составной частью растительной клетки.

Школа Пуркинье

В 1801 году Вигиа ввёл понятие о тканях животных, однако он выделял ткани на основании анатомического препарирования и не применял микроскопа. Развитие представлений о микроскопическом строении тканей животных связано прежде всего с исследованиями Пуркинье, основавшего в Бреславле свою школу.

Пуркинье и его ученики (особенно следует выделить Г. Валентина) выявили в первом и самом общем виде микроскопическое строение тканей и органов млекопитающих (в том числе и человека). Пуркинье и Валентин сравнивали отдельные клетки растений с частными микроскопическими тканевыми структурами животных, которые Пуркинье чаще всего называл «зёрнышками» (для некоторых животных структур в его школе применялся термин «клетка»).

В 1837 году Пуркинье выступил в Праге с серией докладов. В них он сообщил о своих наблюдениях над строением желудочных желёз, нервной системы и т. д. В таблице, приложенной к его докладу, были даны ясные изображения некоторых клеток животных тканей. Тем не менее установить гомологию клеток растений и клеток животных Пуркинье не смог:

• во-первых, под зёрнышками он понимал то клетки, то клеточные ядра;

• во-вторых, термин «клетка» тогда понимался буквально как «пространство, ограниченное стенками».

Сопоставление клеток растений и «зёрнышек» животных Пуркинье вёл в плане аналогии, а не гомологии этих структур (понимая термины «аналогия» и «гомология» в современном смысле).

Прокариотические и эукариотические клетки

Большинство клеток построены по общему плану. Для них характерно окруженное оболочкой ядро, а внутренняя часть клетки разделена многочисленными мембранами на перегородки. Клетки, имеющие оформленное ядро принято называть эукариотическими (от греческих слов eu - хорошо и caryon - ядро). Исключение составляют лишь клетки бактерий, которые устроены гораздо проще и оформлено ядра не имеют, поэтому их называют прокариотическими (до ядерными). 

Помимо отсутствия ядра следует отметить более простую организацию прокариотических клеток и гораздо меньшие размеры. Так эукариотическая клетка в среднем имеет диаметр порядка 25 мкм, в то время как размеры большинства прокариотических клеток находятся в пределах 1-5 мкм. Чтобы наглядно представить разницу в размерах можно сказать, что одна эукариотическая клетка может вместить в себя 10 тыс. бактерий.

Но, размер не основной показатель. Существует целый ряд действительно фундаментальных отличий про- и эукариот. Для прокариотической клетки характерна одна внутренняя полость, окруженная клеточной мембраной. При этом у прокариотических клеток отсутствуют митохондрии, эндоплазматическая сеть, хлоропласты, лизосомы и клеточный центр. Геном в виде нуклеоида, представляющего собой замкнутую в кольцо молекулу ДНК. 

Для эукариотических клеток характерны такие структурные компоненты как клеточная мембрана, ядро и органоиды клетки, но все же не смотря на общность, существуют существенные различия клеток эукариотических организмов относящихся к разным царствам: Грибы, Растения и Животные. 

Сравнительная характеристика клеток растений, животных, бактерий, грибов

При сравнении бактерий с эукариотами можно выделить единственное сходство - наличие клеточной стенки, а вот сходства и различия эукариотических организмов заслуживают более пристального внимания. 

Следует начать сравнение с компонентов, которые свойственны и растениям, и животным, и грибам. Это ядро, митохондрии, Аппарат (комплекс) Гольджи, эндоплазматический ретикулум (или эндоплазматическая сеть) и лизосомы. Они характерны для всех организмов, имеют сходное строение и выполняют одинаковые функции.

Теперь следует акцентировать внимание на различиях. Растительная клетка, в отличие от животной, имеет клеточную стенку, состоящую из целлюлозы. Кроме того, существую органеллы свойственные растительным клеткам - пластиды и вакуоли. Наличие этих компонентов обусловлено необходимостью растений поддерживать форму, при отсутствии скелета. Есть отличия и в особенностях роста. У растений он происходит в основном за счет увеличения размера вакуолей и растяжения клеток, в то время как у животных происходит увеличение объема цитоплазмы, а вакуоль вовсе отсутствует. 

Пластиды (хлоропласты, лейкопласты, хромопласты) характерны преимущественно для растений, поскольку их основная задача - это обеспечить автотрофный способ питания. У животных в противовес растениям существуют пищеварительные вакуоли, которые обеспечивают гетеротрофный способ питания.

Грибы занимают особое положение и для их клеток характерны признаки свойственные и для растений, и для животных. Подобно животным грибам присущ гетеротрофный тип питания, содержащая хитин клеточная оболочка, а основным запасающим веществом является гликоген. В то же время для них, как для растений, характерен неограниченный рост, неспособность к передвижению и питание путем всасывания.

А3.Строение прокариотической клетки

Клетки двух основных групп прокариот — бактерий и архей — похожи по структуре, характерными их признаками являются отсутствие ядра и мембранных органелл.

Основными компонентами прокариотической клетки являются:

• Клеточная стенка, которая окружает клетку извне, защищает ее, придаёт устойчивую форму, предотвращающую от осмотического разрушения. У бактерий клеточная стенка состоит из пептидогликана (муреина), построенного из длинных полисахаридных цепей, соединенных между собой короткими пептидными перемычками. По строению клеточной стенки различают две группы бактерий:

  • Грамположительные бактерии (например роды Staphylococcus, Bacillus, Lactobacillus^[4]) — имеют более простую структуру клеточной стенки, состоящую почти исключительно из муреина;

  • Грамотрицательные бактерии (например роды Salmonella, Escherichia, Azotobacter^[4]) — клеточная стенка содержит меньше пептидогликана и имеет дополнительную внешнюю мембрану, которая состоит из фосфолипидов.

Клеточная стенка архей не содержит муреина, а построена в основном из разнообразных белков и полисахаридов^[3].

• Капсула — имеющаяся у некоторых бактерий слизистая оболочка, расположенная снаружи от клеточной стенки. Состоит в основном из разнообразных белков, углеводов и уроновых кислот. Капсулы защищают клетки от высыхания, могут помогать бактериям в колониях удерживаться вместе, а индивидуальным бактериям — прикрепляться к различным субстратам. Кроме этого, капсулы предоставляют клетке дополнительную защиту: например, капсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме и вызывают воспаление легких, тогда как некапсулированные быстро уничтожаются иммунной системой и являются абсолютно безвредными^[4].

• Пили или ворсинки — тонкие волоскоподобные выросты, что присутствуют на поверхности бактериальных клеток. Существуют различные типы пилей, из которых наиболее распространенными являются:

  • Фимбрии — пили, которые служат для прикрепления. Например, возбудитель гонореи — Neisseria gonorrhoeae использует фимбрии для удержания на слизистой оболочке хозяина.

  • Половые пили (F-пили) — задействованы в процессе конъюгации у бактерий^[3].

• Жгутики — органеллы движения некоторых бактерий. Бактериальный жгутик построен значительно проще эукариотического, и он в 10 раз тоньше, внешне не покрыт плазматической мембраной и состоит из одинаковых молекул белков, которые образуют цилиндр. В мембране жгутик закреплен при помощи базального тела^[3].

• Плазматическая и внутренние мембраны. Клетки всех живых организмов, как эукариот, так и прокариот, окружены полупроницаемыми мембранами, состоящими из фосфолипидов и белков. Однако большинство прокариотических клеток (в отличие от эукариотических) не имеют внутренних мембран, которые разделяют цитоплазму на отдельные компартменты. Только у некоторых фотосинтетических и аэробных бактерий плазмалемма образует вгибание внутрь клетки, что выполняет соответствующие метаболические функции^[3].

• Нуклеоид — не ограниченный мембранами участок цитоплазмы, в котором расположена кольцевая молекула ДНК — «бактериальная хромосома», где хранится весь генетический материал клетки^[3].

• Плазмиды — небольшие дополнительные кольцевые молекулы ДНК, несущие обычно всего несколько генов. Плазмиды, в отличие от бактериальной хромосомы, не являются обязательным компонентом клетки. Обычно они придают бактерии определенные полезные для нее свойства, такие как устойчивость к антибиотикам, способность усваивать из среды определенные энергетические субстраты, способность инициировать половой процесс и т. д.^[4][3]

• Рибосомы прокариот, как и у всех других живых организмов, отвечают за осуществление процесса трансляции (одного из этапов биосинтеза белка). Однако бактериальные рибосомы несколько меньше, чем эукариотические (коэффициенты седиментации 70S и 80S соответственно), и имеют другой состав белков и РНК. Из-за этого бактерии, в отличие от эукариот, чувствительны к таким антибиотикам, как эритромицин и тетрациклин, которые избирательно действуют на 70S-рибосомы^[4].

• Эндоспоры — окруженные плотной оболочкой структуры, содержащие ДНК бактерии и обеспечивающее выживание в неблагоприятных условиях. К образованию эндоспор способны лишь некоторые виды прокариот, например представители родов Clostridium (C. tetani — возбудитель столбняка, C. botulinum — возбудитель ботулизма, C. perfringens — возбудитель газовой гангрены и т. п.) и Bacillus (в частности B. anthracis — возбудитель сибирской язвы). Для образования эндоспоры клетка реплицирует свою ДНК и окружает копию плотной оболочкой, из созданной структуры удаляется избыток воды, и в ней замедляется метаболизм^[3]. Споры бактерий могут выдерживать довольно жесткие условия среды, такие как длительное высушивание, кипячение, коротковолновое облучение и др.^[4]

^{Строение эукариотической клетки}