Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Алтайский государственный медицинский университет
Министерства здравоохранения и социального развития РФ
ГЛАЗУНОВА Г.А., ТАТАРНИКОВА Г.В.
ПОСОБИЕ
ПО БИОЛОГИИ
ДЛЯ АБИТУРИЕНТОВ
Барнаул – 2010
Авторы: Г.А. Глазунова
Г.В. Татарникова
Рецензенты: проф. Ю.А. Высоцкий,
проф. А.А. Волощенко
проф. Л.М. Федосеева
доценты: Л.А. Болгова,
И.И. Шахматов
Е.М. Санаров
Охраняется законом об авторском праве. Воспроизведение всей книги или любой ее части, тиражирование любым способом и реализация запрещается без письменного разрешения всех авторов. Любые попытки нарушения закона будут преследоваться в судебном порядке.
© Г.А. Глазунова, Г.В. Татарникова, 2010
© ГОУ ВПО «Алтайский государственный
медицинский университет», 2010
Предисловие
Одной из основных задач, стоящих перед высшей школой, является подготовка высококвалифицированных кадров. В последние годы вновь возросло число выпускников школ и медицинских училищ, решивших посвятить себя профессии врача.
Биологии в естественно-научной подготовке врача принадлежит ведущая роль. Будучи фундаментальной дисциплиной, она раскрывает закономерности развития жизни, а многие частные вопросы биологии имеют прикладное значение.
В связи с этим к абитуриентам, поступающим в медицинские вузы, предъявляются высокие требования. Несмотря на то, что различные дисциплины биологии изучаются в школе с пятых по одиннадцатые классы, на вступительном экзамене многие абитуриенты показывают слабые знания предмета.
Задача данного пособия – помочь абитуриентам освоить наиболее важные и сложные вопросы программы. Оно не заменяет школьные учебники, а дополняет их, уделяя особое внимание медицинским аспектам рассматриваемых вопросов.
В целях формирования целостного представления об изучаемом предмете и с учетом того, что абитуриент изучил все школьные дисциплины биологии, предложена отличающаяся от школьной последовательность изложения материала: сначала излагаются вопросы общей биологии (основы цитологии, размножения, наследственности и изменчивости, индивидуального развития, эволюционного учения), а затем представлен материал о строении и функциях бактерий, грибов, растений и животных.
Пособие предназначено для абитуриентов медицинских вузов и подготовительных отделений.
Авторы выражают искреннюю признательность официальным рецензентам, сотрудникам кафедр АГМУ, учителям-биологам, высказавшим критические замечания и пожелания в адрес данного пособия.
Авторы
Раздел I пpоисхождение жизни на земле
Научное определение жизни дал Ф. Энгельс в работе «Диалектика природы» (1898 г): «Жизнь – есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой, с прекращением этого обмена веществ прекращается жизнь, что приводит к разложению белка». Современное определение, данное нашим отечественным ученым М.В. Волькенштейном, следующее: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующие и самовоспроизводящие системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».
Первыми попытками человека объяснить причины возникновения жизни были гипотезы самозарождения. Основоположник их – Аристотель, который считал, что живое возникло из неживого под влиянием божественной силы – энтелехии. Философы Древнего мира, Средневековья полагали, что рыбы и лягушки возникают из ила, черви – из мяса, гусеницы – из земли и т. д. До середины ХIХ века ученые были уверены в том, что микроорганизмы зарождаются самопроизвольно.
Первые эксперименты, отрицающие самозарождение червей, были сделаны Ф. Реди (ХVII в) в опытах с гниющим мясом. Если мясо закрыть кисеей, т.е. не дать мухам на него садиться, то их личинки – «черви» – не разовьются. В 1860 году Луи Пастер привел неопровержимые доказательства невозможности самозарождения и микробов. Если из питательного бульона удалить микроорганизмы, то он может сохраняться годами и в нем не обнаружатся никакие признаки жизни.
После опытов Л. Пастера стало очевидным, что существующие формы жизни, какими бы простыми они ни были, не могут возникать путем самозарождения. Тогда было высказано мнение об извечном существовании жизни во Вселенной и ее заносе на Землю (Аррениус, 1895 г.). Высказывались предположения о заносе зародышей живых организмов с метеоритами, инопланетянами. Но попытки доказать это на фактах не увенчались успехами.
Современное представление о возникновении жизни на Земле базируется на двух предпосылках: 1) жизнь не была занесена на Землю извне; 2) живые существа на Земле не могли возникнуть путем самозарождения.
Начало систематической разработки проблемы возникновения жизни на Земле положил в 1924 году А.И.Опарин в книге «Происхождение жизни», а затем в 1928 г. Д. Холдейн независимо от А. И. Опарина пришел к аналогичным выводам.
Согласно теории А. И. Опарина, которую позже назвали теорией абиогенеза, жизнь на Земле – результат длительного эволюционного развития материи, и ее появлению должно было предшествовать абиогенное образование органических соединений. Согласно этой теории в процессе возникновения жизни на Земле условно можно выделить 4 этапа: 1) первичное образование на Земле простейших органических веществ из газов первичной атмосферы; 2) абиогенный синтез важнейших органических соединений с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот; 3) образование фазообособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды; 4) возникновение простейших клеток, обладающих свойством живого, и их эволюция.
Первые три этапа относятся к периоду химической эволюции, а с четвертого периода начинается биологическая эволюция.
На первом этапе важен был переход неорганических соединений углерода, водорода и азота в простые органические соединения (метан, аммиак и др.) в результате тех же химических и физических законов, которые действуют на Земле и сегодня. Абиогенное происхождение углеводородов и циана, явившееся первой ступенью в развитии органического мира, в настоящее время не вызывает сомнения. Данные астрономии, геофизики, астрофизики свидетельствуют, что и сегодня на планете повсеместно образуются органические вещества независимо от живых организмов.
Условия на безжизненной Земле существенно отличались от современных. В первичной атмосфере не было кислорода, поэтому ультрафиолетовые лучи свободно достигали Земли и создавали возможность разнообразных фотохимических реакций. По мнению Д. Оро, образование органических соединений во Вселенной происходило в результате воздействия тепловой энергии, энергии ионизирующего и ультрафиолетового излучения, а также электрических разрядов.
На втором этапе в первичной атмосфере Земли накапливался кислород за счет разложения воды и водяного пара под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. С момента насыщения атмосферы кислородом начались процессы окисления NH3 до NO3, CH4 до CO2, H2S до SO3. Вследствие чего образовывались метиловый спирт, формальдегид, муравьиная и уксусная кислоты. Эти вещества вместе с водой попадали в первичный океан, где соединялись с аммиаком, цианистым водородом и давали начало образованию аминокислот и соединений типа аденина.
Эту точку зрения подтвердили эксперименты С. Мюллера, который в 1953 году синтезировал аминокислоты, пропуская электрические разряды через смесь газов (водорода, метана, аммиака, паров воды). Д. Оро в 1963 году абиогенно синтезировал аденин, гуанин, пиримидин, рибозу, дезоксирибозу. В этом же году С.Поннамперума доказал, что абиогенно можно получить АТФ. Позже осуществили полимеризацию мономерных комплексов с образованием первичных полипептидов и полинуклеотидов.
На третьем этапе химическая эволюция продолжалась, и материалом для нее служили углеводороды, накопившиеся в значительном количестве. Основная масса их возникла при формировании земной коры, часть занесена с кометами и метеоритами. Согласно подсчетам Юри (1952 г.) и Сагана (1961), за миллиард лет концентрация органических веществ, синтезированных в атмосфере и осевших в водах Мирового океана, должна была достигнуть I%. Таким образом, на определенном этапе существования Земли эти воды превратились в своеобразный "питательный бульон" (термин, предложенный А.И. Опариным), содержащий неорганические соли и органические вещества.
А. И. Опарин высказал мысль, что при смешивании растворов различных белков образовывались и обособлялись гели, которые могли быть объектами эволюции. Эти гели в 1936 году были названы коацерватными каплями, а явление их отслаивания – коацервацией. Коацерваты были отделены от окружающего раствора и обладали избирательной адсорбцией к различным органическим веществам и за счет этого расти. Они могли включать в себя ферментные белки, которые катализировали превращение веществ коацерватной капли. Последние становились открытыми системами и совершали обмен с окружающей средой. Среди коацерватов мог возникнуть «естественный отбор», который сохранял наиболее устойчивые системы коацерват. А. И. Опарин назвал эти системы «протобионтами». Они представляли собой открытые макромолекулярные системы, возникшие в первичном бульоне и способные к примитивным формам роста, размножения, обмена веществ и предбиологическому химическому отбору.
На четвертом этапе завершилась предбиологическая эволюция протобионтов.
Она осуществлялась в 3-х направлениях:
1) совершенствование ферментной функции белков;
2) возникновение мембран;
3) приобретение полинуклеотидами способности к самовоспроизведению.
Ни один из этапов преобразования неживой материи в живую не был отделен резкой границей от предыдущего или последующего. Каждый шаг в этом развитии осуществлялся постепенно, и в завершении возникли живые существа, представленные примитивными клетками. С момента появления клеток предбиологический химический отбор уступил место биологическому отбору. Дальнейшее развитие жизни шло по законам биологической эволюции.
Первые организмы были гетеротрофами, т.е. питались абиогенными органическими молекулами, но по мере уменьшения последних в окружающей среде стали появляться организмы, которые могли сами строить органические вещества из неорганических. Так, вероятно, 2 млрд лет назад возникли первые фотосинтезирующие клетки типа цианобактерий. Дальнейшая эволюция на Земле шла от прокариот к эукариотам и многоклеточным организмам, т.е. от простого к сложному.