3119

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова»

БИОЛОГИЯ

методические указания к лабораторным работам для студентов

по направлению подготовки

05.03.06 – Экология и природопользование

Воронеж 2018

УДК 630*15

Рындин В. Е. Биология [Электронный ресурс]: методические указания к лабо-

раторным работам для студентов по направлению подготовки 05.03.06 – Экология и природопользование / В. Е. Рындин; Министерство образования и науки Рос-

сийской Федерации, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 24 с.

Рассмотрено и рекомендовано к изданию учебно - методическим советом ВГЛТУ

Рецензент: к.б.н. Масалыкин А.И.

2

Введение Биология как наука. Биология (греч. биос - жизнь, логос --учение, наука) -

совокупность наук 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.

Предметом исследования биологии являются все проявления жизни: строение и функции живых существ и их природных сообществ, происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой природой.

Классификация биологических наук. В зависимости от объектов исследования в биологии выделяется ряд наук: о животных --зоология, о растениях - ботаника, о микроорганизмах - микробиология, о грибах - микология, о лишайниках -

лихенология, о вирусах - вирусология.

В пределах зоологии сформировались более узкие дисциплины, например

энтомология (о насекомых), орнитология (о птицах), ихтиология (о рыбах), те-

риология (о млекопитающих) и др., в ботанике - альгология (о водорослях), бриология (о мхах), дендрология (о древесных растениях) и др.

Многообразие организмов и распределение их по группам - область систематики. Изучением прошедшей истории органического мира занимается палеонтология, внутреннего и внешнего строения организмов - анатомия и морфология, функций живых организмов, их взаимной связи и зависимости от внешних и внутренних условий - физиология (например, физиология человека и животных, физиология растений).

Общая биология исследует наиболее общие свойства и закономерности живой материи, проявляемые на разных уровнях организации, и объединяет ряд частных биологических наук.

Так, клетку как структурную и функциональную единицу организмов исследует цитология, ткани - гистология, общие закономерности индивидуального раз-

вития организмов -эмбриология и биология развития.

Химический состав клеток, структуру, функции, распределение и превращение химических веществ в клетке исследуют биохимия и молекулярная биология, а физические и физико-химические явления в клетках и организмах -

биофизика.

Изучением закономерностей наследственности и изменчивости занята генетика, исторического развития живой природы и многообразия органического мира - эволюционное учение.

Вопросы коллективной жизни сообществ живых организмов исследуют этология - наука о поведении животных, и экология - наука о взаимоотношениях различных организмов в образуемых ими сообществах между собой и с окружающей средой.

Биогеография изучает общие закономерности географического распространения живых организмов на Земле.

В зависимости от того, в какой области практической деятельности человека используются биологические знания, выделяют такие дисциплины, как биотехнология - совокупность промышленных методов, позволяющих с высокой эффек-

3

тивностью использовать живые организмы для производства ценных продуктов (антибиотиков, аминокислот, белков, витаминов, гормонов и др.), для защиты растений от вредителей и болезней, для борьбы с загрязнением окружающей среды, в очистных сооружениях и т. п.; агробиология - комплекс знаний о возделывании сельскохозяйственных культур; селекция - наука о методах создания сортов растений, пород животных, штаммов микроорганизмов с нужными для человека свойства-

ми. В этот же ряд следует поставить животноводство, ветеринарию, медицинскую биологию, фитопатологию и др.

Методы исследований. Каждая из биологических наук располагает своими специфическими методами исследования. Наиболее общими методами исследования в биологии являются: наблюдение (позволяет описать биологические явления), сравнение (дает возможность найти общие закономерности в строении и жизнедеятельности разных организмов), эксперимент, или опыт (изучаются свойства биологических объектов в контролируемых условиях), моделирование (имитируются многие процессы, недоступные для непосредственного наблюдения или экспериментального воспроизведения), исторический метод (благодаря ему на основе данных о современном органическом мире и его прошлом познаются процессы развития живой природы).

Признаки и свойства живых организмов. Изучение свойств объектов живой природы показало, что жизнь связана со сложным коллоидным состоянием протопласта (живого содержимого клетки), для которого характерны обмен веществ и энергии, обусловленные особым способом реализации наследственной организации, заключенной в нуклеиновых кислотах. Живые сие-, темы от клетки до биосферы в целом представляют собой системы, ассимилирующие энергию из внешней среды таким образом, что они могут активно противостоять разрушению сложившейся организованности, т. е. противостоять процессу, характерному для всей неорганической природы.

Таким образом, по современным представлениям, жизнь - это способ существования открытых коллоидных систем, обладающих свойствами саморегуляции, воспроизведения и развития на основе биохимического взаимодействия белков, нуклеиновых кислот и других соединений вследствие преобразования веществ и энергии из внешней среды.

Живые системы обладают рядом общих свойств и признаков, отличающих их от неживой природы. Для организмов, например, характерны следующие признаки и свойства.

1.Высокоупорядоченное строение, на поддержание которого требуется энергия. Их структурной и функциональной единицей является клетка.

2.Обмен веществ с окружающей средой и энергозависимость.

Все организмы представляют собой открытые системы, являющиеся устойчивыми лишь при условии непрерывного доступа к ним веществ и энергии извне. Живые существа извлекают, преобразуют и используют вещества и энергию из окружающей среды и возвращают в нее продукты распада и преобразованную энергию, например в виде тепла.

3. Раздражимость, Для живых организмов характерна способность отве-

4

чать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями. Любое изменение в окружающей среде является раздражителем, а реакция организма – проявлением раздражимости. Сочетания раздражитель-реакция могут накапливаться в виде опыта и использоваться в дальнейшем.

4.Саморегуляция, или гомеостаз. Живые организмы обладают способностью поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов.

5.Процессы роста и развития. В течение жизни организмы претерпевают ряд количественных (возрастает число клеток, массы) и качественных (идет дифференцировка клеток, образование тканей и органов, старение и др.) изменений.

6.Способность к размножению. При размножении живые организмы воспроизводят себе подобных, увеличивается их численность.

7.Наследственность. Это способность организмов при воспроизведении себе подобных передавать признаки и свойства в неизменном виде потомкам. Осуществляется данный процесс с помощью носителей генетической информации (ДНК, РНК). Генетический материал определяет возможные пределы развития организма, его структур, функций и реакций по отношению к окружающей среде. В то же время потомки обычно бывают похожи на своих родителей, а не идентичны им. Способность организмов приобретать новые свойства и признаки называется изменчивостью.

8.Адаптация. Живые организмы приспособлены к среде обитания. Особенности строения, функций и поведения данного организма, соответствующие его образу жизни, и называют адаптацией.

Применение биологических знаний. Значение биологии как науки ис-

ключительно велико, так как познание исторического развития органического мира, закономерностей в строении и функционировании живых систем разных рангов, их взаимосвязей, устойчивости и динамичности играет важнейшую роль

впонимании научной картины мира. Кроме того, биология способствует решению жизненно важных практических задач, стоящих перед человеком.

Теоретические достижения биологии широко применяются в медицине. Именно успехи и открытия в биологии определили современный уровень медицинской науки. В частности, генетические исследования позволили разработать методы ранней диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней человека. Селекция микроорганизмов позволяет получать штаммы, способные в большом количестве синтезировать ферменты, витамины, гормоны, необходимые для лечения рада заболеваний. Развитие генной инженерии открывает широкие перспективы для производства биологически активных соединений и лекарственных веществ. Так, с помощью методов генной инженерии был клонирован ген гормона инсулина, а затем встроен в геном кишечной палочки. Таким образом были получены штаммы кишечной палочки, способные синтезировать человеческий инсулин, применяемый при лечении сахарного диабета. Подобным образом в настоящее время получают соматотропин (гормон роста), интерфероны, иммуногенные препараты и вакцины.

5

Познание закономерностей размножения и распространения вирусов, болезнетворных бактерий, простейших, червей необходимо для борьбы с инфекционными и паразитарными заболеваниями человека и животных. Биологические знания помогают в борьбе с вредителями и болезнями культурных растений. Они играют важную роль в совершенствовании биотехнии лесного и рыбного хозяйства, звероводства.

Общебиологические закономерности используются при решении самых разных вопросов во многих отраслях народного хозяйства.

Быстрые темпы роста населения планеты, постоянное уменьшение сельскохозяйственных площадей, приходящихся на одного человека, привели к глобальной проблеме современности - недостатку продуктов питания. Эту задачу способны решать такие науки, как растениеводство и животноводство, базирующиеся на достижениях генетики и селекции. Благодаря знанию законов наследственности и изменчивости можно создавать высокопродуктивные сорта культурных растений и пород домашних животных, что позволит интенсивно вести сельскохозяйственное производство и удовлетворить потребности населения планеты в пищевых ресурсах.

Достижения современной биологии нашли практическое применение в промышленном биологическом синтезе аминокислот, кормовых белков, ферментов, витаминов, стимуляторов роста и средств защиты растений, органических кислот и др.

Кроме того, использование в промышленности (в строительстве, при создании новых машин и механизмов) принципов организации живых существ (бионика) дает в настоящее время значительный экономический эффект, который в будущем еще более возрастет.

Решение таких важных проблем современности, как охрана окружающей среды, рациональное использование природных ресурсов и повышение продуктивности растительного мира, возможны только на основе биологических исследований. Они предусматривают выявление и устранение отрицательных последствий воздействия человека на природу (загрязнение среды многочисленными вредными веществами), определение режимов рационального использования резервов биосферы. Кроме того, задачей биологии является обеспечение сохранности биосферы и способности природы к самовоспроизведению.

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Биология» включёны в план учебных занятий. В связи с этим, в методических указаниях приведены сведения, касающиеся общих принципов организации и проведения занятий.

Методические указания обеспечат глубокое и надёжное обучение студентов, разносторонней и комплексной подготовке будущих бакалавров экологов.

6

1.Объём работы

Всоответствии с учебным планом продолжительность лабораторного практикума по специальности составляет 36 часов (18 в первом семестре и 18 во втором).

Объем учебной работы и темы лабораторных работ представлены в таблице 1.

Таблица 1

2. Содержание лабораторного практикума

Занятие №1

Совместно с преподавателем студенты выполняют последовательно следующие действия:

1.Микроскоп ставят в рабочее положение: колонкой к себе, зеркалом и столиком от себя.

2.Работать необходимо сидя. Отработать постановку левого глаза против окуляра.

3.Начинать наблюдение (после помещения препарата на столик и закрепления клеммами) при малом увеличении.

4.Глядя левым глазом в окуляр, правой рукой поворачивать рукоятку кремальеры, пока объект не появится в центре зрения.

5.Навести аккуратно на резкость.

6.Карандашом, находящимся в правой руке, делать зарисовку.

Занятие №2 1. Рассмотреть фиксированный и окрашенный препарат с простейшими

(инфузориями, амебами и др.) сначала при малом, затем при большом увеличении.

7

2.Выбрать наиболее хорошо видимый объект и попытаться его зарисовать.

3.Рассмотреть и зарисовать:

клетку кожицы лука, предварительно окрасив ее фуксином; найти ядро и показать его на рисунке, клетку одноклеточного (протозойного) организма - инфузории-туфельки; пронаблюдать за ее движением, работой сократительных вакуолей, перемещением пищеварительных вакуолей (показать их на рисунке); обработать ледяной уксусной кислотой живую инфузорию, введя кончик пипетки, смоченный кислотой, в каплю жидкости с инфузориями; показать на рисунке контуры выявленного ядра.

4. Фрагмент ткани с клетками, содержащими большое число митохондрий (к этому рисунку добавить табличное изображение митохондрии).

Рассмотреть особенности строения растительной и животной клеток. Выявить основные отличия.

Занятие №3

Рассмотреть постоянный микропрепарат животной клетки (канальцы почки) с митохондриями и зарисовать последние (в качестве примера см. рис.

5).

Вопросы по темам «Современные достижения биологии», «Строение и функции органелл клетки»

1.Значение биологии для фармакологии.

2.Понятие о трансгенных организмах.

3.Понятие о протеомике как современном направлении развития биоло-

гии.

4.Понятие о геномике как современном направлении развития генетики.

5.Уровни организации биосистем.

6.Качественные признаки биосистем.

7.Положения современной клеточной теории.

8.Строение растительной и животной клеток.

9.Структура клетки: цитоплазма (цитозоль и цитогель).

10.Неорганический состав цитоплазмы.

11.Вода как элемент цитоплазмы, ее функции.

12.Органический состав цитоплазмы. Белки.

13 Общая структура аминокислот. Белковые аминокислоты.

14 Классы ферментов, обеспечивающих расщепление белков, жиров, гидролиз, транспорт веществ.

15.Органический состав цитоплазмы. Липиды.

16.Триацилглицеролы клетки.

17.Органический состав цитоплазмы. Углеводы.

18.Резервные углеводы.

19.Структурные углеводы.

20.Органический состав цитоплазмы. Нуклеиновые кислоты.

8

21.Цитоплазматические нуклеиновые кислоты.

22.Правила Чаргаффа.

23.Физическое и химическое строение молекулы ДНК.

24.Типы РНК.

25.Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды.

26.Строение клетки: мембрана; жидкостно-мозаичная модель биомембран.

27.Биомембраны с фотосинтетической функцией.

28.Функции биомембран.

29.Пассивный транспорт веществ через биомембраны.

30.Активный транспорт через биомембрану (принцип, механизм реализа-

ции).

31.Транспортные системы биомембран: каналы и поры, их функции.

32.Схема натрий-калиевого насоса.

33.Облегченная диффузия через биомембрану.

34.Немембранные органеллы клетки (микротрубочки, микрофиламенты, клеточный центр).

35.Немембранные органеллы клетки: рибосомы (строение, функции).

36.Одномембранные органеллы: лизосомы, микротельца.

37.Аппарат Гольджи (строение, функции).

38.Двумембранные органеллы клетки.

39.Митохондрии: строение и функции. Обоснование их «полу автономности».

40. Хлоропласты: строение и функция. Обоснование их «полуавтономности».

41.Физическая и химическая структуры ядра клетки.

42.Функции ядра.

43.Ядерно-цитоплазматические отношения.

44.Патология мембран.

45.Патология митохондрий.

46.Патология рибосом.

47.Патологии белкового обмена в клетке.

48.Патология углеводного обмена.

гического процесса.

Вопросы по теме «Биоэнергетика клетки»

1.Фотосинтез и его значение на планете Земля.

2.Хлорофилл: его виды и особенности организации.

3.Световая (энергетическая) фаза фотосинтеза. Источники электронов и протонов, их транспорт.

4.Продукты световой (энергетической) фазы. Регуляция процессов световой фазы.

5.Биохимическая (темновая) фаза фотосинтеза. Цикл Кальвина - Бенсо-

на.

9

6.Регуляция биохимической фазы фотосинтеза.

7.Биосинтез белка. Транскрипция, «созревание» и-РНК. I

8.Транскрипция как этап биосинтеза белка.

9.Предрибосомный и рибосомный этапы биосинтеза белка.

10.Т-РНК как адаптор и акцептор.

11.Регуляция биосинтеза на уровне транскрипции трансляциии.

12.Энергодонорные соединения клетки.

13.Гликолиз. Спиртовое и молочнокислое брожение.

14.Баланс образования молекул АТФ в процессе гликолиза.

15.Понятие об окислительном фосфорилировании. Энергетика процесса.

16.Понятие о цикле Кребса.

17.Глюкоза как энергетический субстрат (класс веществ реакционная способность).

18.Баланс выхода АТФ при окислительном фосфорилировании

19.Регуляция процесса синтеза АТФ.

20Понятие об акцепторной системе митохондрий.

21ПВК, процессы, связанные с расщеплением ее в митохондриях до СО2 и

Н2О.

22. Понятие об электроно-транспортной и дыхательной цепи митохондрий.

Занятие №4

1.Рассмотреть постоянные микропрепараты с фазами митоза животной

ирастительной клеток. Зарисовать фазы митоза в соответствии с препаратом и аудиторной таблицей.

Занятие №5 1. Найти на препарате проростка сосны обыкновенной случаи патоло-

гии митоза и зарисовать их.

Занятие №6 1. Рассмотреть постоянный микропрепарат животной клетки (клетки

мочевого пузыря мыши и растительной клетки (клетки проростка сосны) с амитозом. Зарисовать микропрепарат.

Занятие №7 1. Рассмотреть стадии мейоза у животных и растений. Зари-ровать

схему мейоза у животных, используя в качестве призера рис.

Занятие №8 1. Рассмотреть и зарисовать типы эпителиальной ткани препараты: низ-

кий и высокий призматический эпителий почки кролика, ресничный эпителий кишечника беззубки).

Занятие №9

10