Биология. Учебное пособие

2

УДК 573(075)

ББК 28.0я7

М 96

Рецензенты:

А.В. Филиппова, канд. биол. наук, доцент кафедры ботаники ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»; Г.А. Гореликова, д-р техн. наук, профессор кафедры товароведения и управления качеством ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт

пищевой промышленности»

Рекомендовано редакционно-издательским советом ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

Мышалова, О.М.

М96 Биология: учебное пособие / О.М. Мышалова; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2014. – 107 с.

ISBN 978-5-89289-851-5

Представлены теоретические материалы лекционного курса биология, вопросы для самопроверки, рекомендуемая литература. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 19.03.03 «Продукты питания животного происхождения» профилей «Технология мяса и мясных продуктов», «Технология молока и молочных продуктов» всех форм обучения квалификации – «Бакалавр».

УДК 573(075) ББК 28.0я7

ISBN 978-5-89289-851-5

Охраняется законом об авторском праве, не может быть использовано любым

незаконным способом © КемТИПП, 2014 без письменного договора

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Биология» относится к базовой части математического и естественнонаучного цикла дисциплин.

Целью освоения дисциплины «Биология» является формирование у студентов системы знаний, умений и владений в области биологии, необходимых для формирования естественно-научного мировоззрения и использования основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

–знать основные понятия биологии, уровни организации

исвойства живых систем, основные особенности организации клеточного уровня: строение клетки, организацию наследственного материала и его реализацию в клетке, воспроизведение клеток;

–уметь использовать свойства биологических систем при решении профессиональных задач, работать с информацией из различных источников, в т.ч. из иностранной литературы, использовать ресурсы Интернета, самостоятельно работать с научной литературой, составлять конспекты, осуществлять подготовку рефератов;

–владеть техникой микроскопирования.

Содержание дисциплины является логическим продолжением содержания дисциплин «Общая и неорганическая химия», «Органическая химия», Аналитическая химия», «Основы животноводства» и служит основой для освоения дисциплин «Анатомия и гистология сельскохозяйственных животных», «Реология», «Общая микробиология и общая санитарная микробиология», «Биологическая безопасность пищевых систем», «Общая технология отрасли», «Физико-химические и биохимические основы технологии мяса».

Программа по дисциплине «Биология» рассчитана на 72 часа, трудоемкость курса – две зачетных единицы.

5

ГЛАВА 1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

(греч. Βιολογία – βίος, биос, «жизнь»; др.-греч. Λόγος – учение) – наука о жизни, о живой природе, одна из естественных наук, предметом которой являются живые существа и их взаимодействие с окружающей средой. Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Эта наука классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.

Биология выделилась из естественных наук в XIX веке, когда учёные обнаружили, что живые организмы обладают некоторыми общими для всех характеристиками. Термин «биология» был введен в 1802 году Жаном Батистом Ламарком. Однако биологические дисциплины зародились ранее в медицине и естественной истории. Основоположниками биологических наук считают античных учёных Аристотеля и Галена, арабских медиков аль-Джахиза, ибн-Сину, ибн-Зухра и ибн-аль-Нафиза. В эпоху Великих географических открытий работали выдающиеся умы Андрей Везалий и Уильям Гарвей, они заложили основы современной анатомии и физиологии. Несколько позже Линней

иБюффон совершили огромную работу по классификации форм живых и ископаемых существ. Микроскопия открыла для наблюдения ранее неведомый мир микроорганизмов, заложив основу для развития клеточной теории.

Кначалу XIX века Лавуазье и другие химики и физики начали сближение представлений о живой и неживой природе. Натуралисты, такие как Александр Гумбольдт, исследовали взаимодействие организмов с окружающей средой и его зависимость от географии, закладывая основы биогеографии, экологии

иэтологии. В XIX веке развитие учения об эволюции постепенно привело к пониманию роли вымирания и изменчивости видов, а клеточная теория показала в новом свете основы строения живого вещества. В сочетании с данными эмбриологии и палеонтологии эти достижения позволили Чарльзу Дарвину создать целостную теорию эволюции путём естественного отбора.

6

В начале XX века Томас Морган и его ученики заново открыли законы, исследованные ещё в середине XIX века Грегором Менделем, после чего начала быстро развиваться генетика. К 1930-м годам сочетание популяционной генетики и теории естественного отбора породило современную эволюционную теорию, или неодарвинизм. Благодаря развитию биохимии были открыты ферменты и началась грандиозная работа по описанию всех процессов метаболизма. Уотсон и Крик раскрыли структуру ДНК, что дало мощный толчок для развития молекулярной биологии. За этим последовало постулирование центральной догмы, расшифровка генетического кода, а к концу XX века – и полная расшифровка генетического кода человека и ещё нескольких организмов, наиболее важных для медицины и сельского хозяйства. Благодаря этому появились новые дисциплины геномика и протеомика.

Чрезвычайная сложность предмета биологии породили и продолжают порождать дисциплины с более узкой специализацией.

Традиционно дисциплины группируются по типам исследуемых организмов: ботаника изучает растения, зоология – животных, микробиология – одноклеточные микроорганизмы, вирусология – вирусы, микология – грибы, антропология – человека.

По масштабам исследования либо по применяемым методам биология подразделяется на следующие отрасли: биохимия изучает химические основы жизни; молекулярная биология – сложные взаимодействия между биологическими молекулами; клеточная биология и цитология – основные строительные блоки многоклеточных организмов, клетки; гистология и анатомия

– строение тканей и организма из отдельных органов и тканей; физиология – физические и химические функции органов и тканей; этология – поведение живых существ; экология – взаимозависимость различных организмов и их среды.

Передачу наследственной информации изучает генетика. Развитие организма в онтогенезе изучается биологией развития. Зарождение и историческое развитие живой природы – палеобиология и эволюционная биология.

На границах со смежными науками возникают: биомедицина, биофизика, биометрия и т.д. В связи с практическими по-

7

требностями человека появляются такие направления как космическая биология, социобиология, физиология труда, бионика, биотехнология.

Однако биология продолжает оставаться единой наукой, и данные каждой из биологических дисциплин применимы во всех остальных.

Для изучения сложного и трудного для понимания явления жизни используются следующие методы биологических исследований:

–метод наблюдения и описания – состоит в сборе и описании фактов;

–сравнительный метод – заключается в анализе сходства

иразличий изучаемых объектов;

–исторический метод – изучает ход развития исследуемого объекта;

–метод эксперимента – позволяет изучать явления природы в заданных условиях;

–метод моделирования – описывает сложные природные явления относительно простыми моделями.

Объекты, которые изучает биология: организмы, уров-

ни организации живой материи, свойства организмов.

В основе современной биологии лежат пять фундаментальных принципов: клеточная теория, эволюция, генетика, гомеостаз и энергия. Эти принципы объединяют все биологические дисциплины в единую науку о живой материи.

Клеточная теория. Клеточная теория – учение обо всем, что касается клеток. Согласно клеточной теории, всё живое вещество состоит из одной или более клеток, либо из продуктов секреции этих клеток. Например: раковины, кости, кожа, слюна, желудочный сок, ДНК, вирусы. Базовые механизмы и химия всех клеток во всех земных организмах сходны; клетки происходят только от ранее существовавших клеток, которые размножаются путём клеточного деления. Клеточная теория описывает строение клеток, их деление, взаимодействие с внешней средой, состав внутренней среды и клеточной оболочки, механизм действия отдельных частей клетки и их взаимодействия между собой.

8

Эволюция. Основная концепция в биологии состоит в том, что жизнь со временем изменяется и развивается посредством эволюции, и что все известные формы жизни на Земле имеют общее происхождение. Понятие эволюции было введено Жаном-Батистом Ламарком в 1809 г. Чарльз Дарвин установил, что её движущей силой является как естественный отбор, так и сознательно применяемый человеком для создания новых пород животных и сортов растений искусственный отбор. Позже в синтетической теории эволюции дополнительным механизмом эволюционных изменений был постулирован генетический дрейф.

Таким образом, через естественный отбор и генетический дрейф наследственные признаки популяции изменяются из поколения в поколение. Согласно теории эволюции, все живые существа на Земле, как ныне живущие, так и вымершие, происходят от общего предка или общей совокупности генов. Общий предок всех живых существ появился на Земле около 3,5 млрд лет назад. Главным доказательством теории общего предка считается универсальность генетического кода.

Теория гена. Признаки живых организмов передаются из поколения в поколение вместе с генами, которые являются элементарными единицами наследственности. Гены хранятся в одной или нескольких хромосомах. Хромосома – длинная цепочка ДНК, на которой может быть множество генов. Все существующие формы земной жизни, в том числе бактерии, растения, животные и грибы, имеют одни и те же основные механизмы, предназначенные для копирования ДНК и синтеза белка. Например, бактерии, в которые вводят ДНК человека, способны синтезировать человеческие белки. Информация о строении живых существ, или генотип, используется клетками для создания фенотипа, т.е. физических или биохимических характеристик организма. Гены могут изменяться в ответ на воздействия среды только посредством эволюционного процесса.

Гомеостаз. Гомеостаз – способность организмов регулировать свою внутреннюю среду независимо от изменений во внешней среде так, чтобы поддерживать её постоянство посредством множества корректирующих воздействий, направляемых

9

регуляторными механизмами. Все живые существа, как многоклеточные, так и одноклеточные, способны поддерживать гомеостаз. На клеточном уровне, например, поддерживается постоянная кислотность внутренней среды (рН). На уровне организма у теплокровных животных поддерживается постоянная температура тела.

Энергия. Выживание любого организма зависит от постоянного притока энергии. Энергия черпается из веществ, которые служат пищей, и посредством специальных химических реакций используется для построения и поддержания структуры и функций клеток. В этом процессе молекулы пищи используются как для извлечения энергии, так и для синтеза биологических молекул собственного организма.

Первичным источником энергии для всех земных существ является Солнце. Световая энергия превращается растениями в химическую (органические молекулы) в присутствии воды и некоторых минералов. Часть полученной энергии затрачивается на наращивание биомассы и поддержание жизни, другая часть – теряется в виде тепла и отходов жизнедеятельности. Общие механизмы превращения химической энергии в полезную для поддержания жизни называются дыханием и метаболизмом.

10

ГЛАВА 2. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

Отечественным ученым М.В. Волькенштейном предложено следующее определение живых организмов: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».

Общепринятого определения понятия «жизнь» не существует, но можно выделить признаки (свойства) живой материи, отличающие ее от неживой.

Признаки, отличающие живую материю от неживой:

определенный химический состав; способность к размножению и передаче наследственной

информации следующему поколению; обмен веществ и энергии; саморегуляция; возбудимость;

адаптированность к конкретным условиям обитания; строительный материал – биополимеры (важнейшие из

них – белки и нуклеиновые кислоты); специализация от молекул до органов и высокая степень

их организации; рост, старение, смерть.

Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы, однако соотношение этих элементов различно. Основными элементами живых существ являются С, О, N и Н.

Все живые организмы содержат биополимеры, к которым относятся белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды.

Живые организмы способны к самовоспроизведению (репродукции), то есть живые организмы способны размножаться - воспроизводить себе подобных. В основе размножения лежат реакции матричного синтеза на основании информации, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК.