Пояснительная записка

Материал, изложенный в «Конспекте лекций» произведен в соответствии с Государственным образовательным стандартом. В предлагаемом курсе рассматриваются наиболее важные концепции, которые выработало естествознание на протяжении всей истории своего развития, составляющие фактически ядро современной научной картины мира. «Естествознание» формирует целостную картину знаний о природе в ее непрерывном развитии. Специфические стороны этой науки – физика, химия, биология, экология – показаны уровни системы знаний, в которой фундаментальные физические принципы являются теоретической основой всего естествознания. Миропонимание на теоретическом уровне, или теоретическая картина мира, представлено научными, философскими, религиозными идеями.

Конспект лекций предназначен для студентов гуманитарных специальностей в рамках среднего профессионального образования. Содержание конспекта лекций направлено на то, чтобы обеспечить необходимый уровень естественнонаучной грамотности студентов. Отбор содержания отвечает требованиям актуальности и доступности, что с одной стороны предусматривает знакомство с ключевыми достижениями естественных наук и определяющим влиянием на развитие современных технологий, так и предполагает наглядный качественный уровень освоения этого материала.

Освоение материала, изложенного в конспекте лекций, позволит студентам:

- ориентироваться в естественнонаучной информации на уровне сообщений СМИ и научно-популярных источников;

- иметь представление об естественнонаучном методе познания и использовать знакомство с этим методом для получения фактов, оценки достоверности информации, построения аргументации;

- использовать естественнонаучные знания и умения в повседневной жизни и практической деятельности, особенно, когда это касается вопросов питания, медицины, применения соединений бытовой химии, экологии, экономии энергии.

Конспект лекций включает в себя три основных раздела, обладающие относительной самостоятельностью и целостностью: «Физика», «Химия с элементами экологии», «Биология с элементами экологии». Такой подход к структурированию содержания дисциплины «Естествознание» не нарушает привычной логики естественнонаучного образования в целом.

Заметное место в преподаваемой дисциплине отводится интегрирующим, межпредметным идеям и темам. Это, прежде всего темы, освещающие естественнонаучную картину мира: атомно-молекулярное строение вещества, общие принципы классической механики, законы И.Ньютона, превращение энергии, современное представление об элементарных частицах, клеточное строение живой материи, основные этапы эволюции органического мира, эволюционная теория Ч.Дарвина, основы генетики, эволюция человека как биологического организма, а также вопросы экологии.

Введение

Естествознание - система наук о природе, или естественных наук, взятых в их взаимной связи, как целое. Естествознание - одна из трёх основных областей научного знания о природе, обществе и мышлении; теоретическая основа промышленной и с.-х. техники и медицины; естественно-научный фундамент философского материализма и диалектического понимания природы.

Предмет и цели естествознания

Предмет Естествознание - различные формы движения материи в природе: их материальные носители (субстрат), образующие лестницу последовательных уровней структурной организации материи; их взаимосвязи, внутренняя структура и генезис; основные формы всякого бытия - пространство и время; закономерная связь явлений природы как общего характера, охватывающая ряд форм движения, так и специфического характера, касающаяся лишь отдельных сторон тех или иных форм движения, их субстрата и структуры.

Цели естествознания: 1) находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления и 2) раскрывать возможность использования на практике познанных законов, сил и веществ природы. Можно сказать: познание истины (законов природы) — непосредственная или ближайшая цель Е., содействие их практическому использованию — конечная цель Е.

Закономерности и особенности развития естествознания

1. Содержание прежних знаний о природе получает дальнейшее развитие и обобщение, преодолевается прежняя универсализация, абсолютизация законов и принципов, носящих в действительности лишь ограниченный, относительный характер;

2. Взаимодействие наук, взаимосвязанность всех отраслей Е., когда один предмет изучается одновременно многими науками (их методами).

3. Повторяемость идей, концепций, представлений с постоянными возвратами к пройденному (в т. ч. исходному пункту научного развития), но на более высокой ступени этого развития - движение по спирали.

Подразделения естествознания

Астрономия

Биология

Биофизика

Биохимия

Генетика

География

Геология

Радиобиология

Радиохимия

Физическая химия

Химия

История развития естествознания

1. Период механического и метафизического Естествознание, начавшийся с возникновения Естествознание как систематической экспериментальной науки в эпоху Возрождения, (со 2-й половины 15 в. до конца 18 в.). Естествознание этого периода революционно по своим тенденциям. Здесь выделяется Естествознание начала 17 в. (формирование механического Естествознание - Г. Галилей) и конца 17 в. - начала 18 в. (завершение этого процесса - И. Ньютон).

2. Период открытия всеобщей связи и утверждения эволюционных идей – стихийно-диалектический. На первый план выдвигаются физика и химия, изучающие взаимопревращения форм энергии и видов вещества. В геологии возникает теория медленного развития Земли (Ч. Лайель), в биологии зарождается эволюционная теория (Ж. Ламарк), палеонтология (Ж. Кювье), эмбриология (К. М. Бэр). Возникла необходимость сочетать анализ с синтезом в целях теоретического охвата накопленного опытного материала. Три великих открытия (2-я треть 19 в.) - клеточная теория, учение о превращении энергии и дарвинизм.

Затем последовали открытия, раскрывавшие диалектику природы полнее: создание теории химического строения органических соединений (А. М. Бутлеров,1861), периодической системы элементов (Д. И. Менделеев, 1869), химической термодинамики (Я. Х. Вант-Гофф, Дж. Гиббс), основ научной физиологии (И. М. Сеченов, 1863), электромагнитной теории света (Дж. К. Максвелл, 1873).

3. Период «новейшей революции» в Естествознание - 20 в. форсируется развитие прежде всего физики (атомная энергия, радиолокация, радиоэлектроника, средства связи, автоматика и кибернетика, квантовая электроника - лазеры, электронная оптика и т. д.). Физика играет роль стимулятора и трамплина по отношению к другим отраслям Естествознания. Физические методы определили успехи химии, геологии, астрономии, (открытия электромагнитных волн Г. Герцем, коротковолнового электромагнитного излучения К. Рентгеном, радиоактивности А. Беккерелем, электрона Дж. Томсоном, светового давления П. Н. Лебедевым, введение идеи кванта М. Планком, создание теории относительности А. Эйнштейном, радиоактивного распада Э. Резерфордом и Ф. Содди, изобретение радио А. С. Поповым), а также в химии, биологии (возникновение генетики на базе законов Г. Менделя). В 1913-1921 на основе представлений об атомном ядре, электронах и квантах Н. Бор создаёт модель атома, разработка которой ведётся соответственно периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

4. Четвертый этап связан с овладение атомной энергией в результате открытия деления ядра (1939) и последующих исследований (1940-45), с которыми связано зарождение электронно-вычислительных машин и кибернетики. Полное развитие он получил в середине 20 в.

Таким образом, в понятие естествознания входит целых комплекс наук, взятых в их взаимной связи, как целое.

Естествознание - одна из трёх основных областей научного знания о природе, обществе и мышлении; теоретическая основа промышленной и с.-х. техники и медицины; естественно-научный фундамент философского материализма и диалектического понимания природы.

БИОЛОГИЯ

Химические элементы в организме человека

Весь наш мир: растения, животный мир, все, что нас окружает, состоит из одних и тех же микроэлементов, которые присутствуют в разных концентрациях во всем и, конечно же, в нашей пище.

Каждый элемент влияет на наше здоровье. Содержание элементов в продуктах питания величина очень изменчивая. Более стабильной и постоянной величиной является содержание элементов в организме здорового человека, хотя и оно может иметь вариабельность (изменчивость).

Для организма человека определенно установлена роль около 30 химических элементов, без которых он не может нормально существовать. Эти элементы называют жизненно необходимыми. Кроме них, имеются элементы, которые в малых количествах не сказываются на функционировании организма, но при определенном содержании являются ядами.

Макроэлементы - содержание в организме более одного грамма: фосфор, калий, сера, натрий, хлор, магний, железо, фтор, цинк, кремний, цирконий - 11 элементов.

Микроэлементы - содержание в организме более одного миллиграмма: рубидий, стронций, бром, свинец, ниобий, медь, алюминий, кадмий, барий, бор (первая десятка микроэлементов), теллур, ванадий, мышьяк, олово, селен, титан, ртуть, марганец, йод, никель, золото, молибден, сурьма, хром, иттрий, кобальт, цезий, германий - 28 элементов. Каждый элемент влияет на наше здоровье. Содержание элементов в продуктах питания величина очень изменчивая. Более стабильной и постоянной величиной является содержание элементов в организме здорового человека, хотя и оно может иметь вариабельность (изменчивость).

Предположения некоторых ученых идут дальше. Они считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определенную биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако, по мере того, как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se.

Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция - 1700, калия - 250, натрия - 70, магния - 42, железа - 5, цинка - 3.

Ученые договорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10-2%, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10-3-10-5%.

Дефицит элемента	Типичный синдром
Са	Замедление роста скелета
Мg	Мускульные судороги
Fe	Анемия
Zn	Повреждение кожи
Mn	Бесплодие, ухудшение роста скелета
F	Кариес зубов
Со	Злокачественная анемия
Se	Мускульная слабость
Cr	Симптомы диабета

Имеется большое число химических элементов, особенно среди тяжелых, являющихся ядами для живых организмов, - они оказывают неблагоприятное биологическое воздействие. К этим элементам можно отнести: Ba, Ni, Pd, Pt, Au, Ag, Hg, Cd, Tl, Pb, As, Sb, Se.

Встречаются элементы, которые в относительно больших количествах являются ядами, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние. Например, мышьяк - сильный яд, нарушающий сердечно-сосудистую систему и поражающий почки и печень, в небольших дозах полезен, и врачи прописывают его для улучшения аппетита. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации (особенно под давлением) оказывает ядовитое действие. Среди примесных элементов имеются и такие, которые в малых дозах обладают эффективными лечащими свойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевого пузыря, при хронических циститах и уретритах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюктивитах и бленнорее. Карандаши из нитрата серебра применяют для прижигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1-0,25%) нитрат серебра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра - альбуминатов. Серебро пока не относят к жизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально установлено его повышенное содержание в мозгу человека, в железах внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с растительной пищей, например с огурцами и капустой.

Весьма интересен вопрос о принципах отбора природой химических элементов для функционирования живых организмов. Не вызывает сомнения, что их распространенность не является решающим фактором. Здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищи и воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможности растений в данном процессе ограничены.

Органические вещества клетки. Основные жизненно необходимые соединения – белки, жиры и углеводы. Биополимеры.

Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры, белки, углеводы, липиды, гормоны, нуклеиновые кислоты, витамины.

Биологические полимеры – органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов. Полимер – многозвенная цепь простых веществ – мономеров (n ÷ 10тыч. – 100тыс. мономеров.

Свойства биополимеров зависят от строения их молекул, от числа и разнообразия мономерных звеньев. Если мономеры разные, то повторяющиеся чередования их в цепи создают регулярный полимер.

Пример

…А – А – В – А – А – В… регулярный

…А – А – В – В – А – В – А… нерегулярный

Углеводы

Общая формула Сn(H₂O)m

Углеводы в организме человека играют роль энергетических веществ. Самые важные из них – сахароза, глюкоза, фруктоза, а также крахмал. Они быстро усваиваются ("сгорают") в организме. Исключение составляет клетчатка (целлюлоза), которой особенно много в растительной пище. Она практически не усваивается организмом, но имеет большое значение: выступает в роли балласта и помогает пищеварению, механически очищая слизистые оболочки желудка и кишечника. Углеводов много в картофеле и овощах, крупах, макаронных изделиях, фруктах и хлебе.

Пример: глюкоза, рибоза, фруктоза, дезоксирибоза – моносахариды. Сахароза – дисахариды. Крахмал, гликоген, целлюлоза - полисахариды

Нахождение в природе: в растениях, фруктах, в цветочной пыльце, овощах (чеснок, свекла), картофеле, рисе, кукурузе, зерне пшеницы, древесине…

Их функции:

1) энергетическая: при окислении до СО2 и Н2О высвобождается энергия; избыток энергии запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена;

2) строительная: в растительной клетке – прочная основа клеточных стенок (целлюлоза);

3) структурная: входят в состав межклеточного вещества кожи сухожилий хрящей;

4) узнавание клетками др.: в составе клеточных мембран, если разделённые клетки печени смешать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся на две группы благодаря взаимодействию однотипных клеток.

Липиды (липоиды, жиры)

К липидам относятся разнообразные жиры, жироподобные вещества, фосфорлипиды… Все они нерастворимы в воде, но растворимы в хлороформе, эфире…

Нахождение в природе: в клетках животных и человека в клеточной мембране; между клетками – подкожный слой жира.

Функции:

1) теплоизоляционная (у китов, ластоногих …);

2) запасное питательное вещество;

3) энергетическая: при гидролизе жиров выделяется энергия;

4) структурная: некоторые липиды служат составной частью клеточных мембран.

Жиры тоже служат для человеческого организма источником энергии. Их организм откладывает "про запас" и они служат энергетическим источником долговременного пользования. Кроме того, жиры обладают низкой теплопроводностью и предохраняют организм от переохлаждения. Неудивительно, что в традиционном рационе северных народов так много животных жиров. Для людей, занятых тяжелым физическим трудом, затраченную энергию тоже проще всего (хотя и не всегда полезней) компенсировать жирной пищей. Жиры входят в состав клеточных стенок, внутриклеточных образований, в состав нервной ткани. Еще одна функция жиров – поставлять в ткани организма жирорастворимые витамины и другие биологически активные вещества.

Белки

Рисунок - Молекула белка

Белки – биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Образование линейных молекул белков происходит в результате реакций аминокислот др. с др.

Источниками белков могут служить не только животные продукты (мясо, рыба, яйца, творог), но и растительные, например, плоды бобовых (фасоль, горох, соя, арахис, которые содержат до 22–23% белков по массе), орехи и грибы. Однако больше всего белка в сыре (до 25 %), мясных продуктах (в свинине 8–15 %, баранине 16–17 %, говядине 16–20 %), в птице (21 %), рыбе (13–21 %), яйцах (13 %), твороге(14 %). Молоко содержит 3 % белков, а хлеб 7–8 %. Среди круп чемпион по белкам – гречневая крупа (13 % белков в сухой крупе), поэтому именно ее рекомендуют для диетического питания. Чтобы избежать "излишеств" и в то же время обеспечить нормальную жизнедеятельность организма, надо, прежде всего, дать человеку с пищей полноценный по ассортименту набор белков. Если белков в питании недостает, взрослый человек ощущает упадок сил, у него снижается работоспособность, его организм хуже сопротивляется инфекции и простуде. Что касается детей, то они при неполноценном белковом питании сильно отстают в развитии: дети растут, а белки – основной "строительный материал" природы. Каждая клетка живого организма содержит белки. Мышцы, кожа, волосы, ногти человека состоят главным образом из белков. Более того, белки – основа жизни, они участвуют в обмене веществ и обеспечивают размножение живых организмов.

Строение:

первичная структура – линейная, с чередованием аминокислот;

вторичная – в виде спирали со слабыми связями между витками (водородными);

третичная – спираль свёрнутая в клубок;

четвертичная – при объединении нескольких цепей, различных по первичной структуре.

Функции:

1) строительная: белки являются обязательным компонентом всех клеточных структур;

2) структурная: белки в соединении с ДНК составляют тело хромосом, а с РНК – тело рибосом;

3) ферментативная: катализатором хим. реакций выступает любой фермент – белок, но очень специфичный;

4) транспортная: перенос О₂, гормонов в теле животных и человека;

5) регуляторная: белки могут выполнять регуляторную функцию, если они являются гормонами. Например инсулин (гормон, поддерживающий работу поджелудочной железы) активизирует захват клетками молекул глюкозы и расщепление или запасание их внутри клетки. При недостатке инсулина глюкоза накапливается в крови, развивая диабет;

6) защитная: при попадании инородных тел в организме вырабатываются защитные белки – антитела, которые связываются с чужеродными, соединяются и подавляют их жизнедеятельность. Такой механизм сопротивления организма называют иммунитетом;

7) энергетическая: при недостатке углевода и жиров могут окислиться молекулы аминокислот.

Основные признаки живых организмов. Клеточная теория

Биология – наука о происхождении и развитии живого, его строении, формах организации и способах активности. В настоящее время насчитывается более 50 наук внутри комплекса биологического знания, среди них: ботаника, зоология, анатомия, морфология, биофизика, биохимия, экология и т.д. Такое многообразие научных дисциплин объясняется сложностью объекта исследования – живой материи.

С этой точки зрения особенно важно понять, какие критерии лежат в основе разделения материи - на живую и неживую.

В классической биологии соперничали две противоположные позиции, объяснявшие сущность живого принципиально различным образом, - редукционизм и витализм.

Сторонники редукционизма считали, что все процессы жизнедеятельности организмов можно свести к совокупности определенных химических реакций. Термин «редукционизм» происходит от латинского слова redaction – отодвигать назад, возвращать. Идеи биологического редукционизма опирались на представления вульгарного механистического материализма, получившего наибольшее распространение в философии 17 – 18 вв. Механистический материализм все процессы, происходящие в природе, объяснял с точки зрении законов классической механики. Адаптация механистической материалистической позиции к биологическому познанию привела к формированию биологического редукционизма. С точки зрения современного естествознания, редукционистическое объяснение не может быть признано удовлетворительным, поскольку выхолащивает саму сущность живого. Наиболее широкое распространение редукционизм получил в 18 веке.

Противоположностью редукционизма является витализм, сторонники которого объясняют специфику живых организмов присутствием в них особой жизненной силы. Термин «витализм» происходит от латинского слова vita – жизнь. Философской базой витализма является идеализм. Витализм не объяснял специфики и механизмов функционирования живого, сводя все отличия органического от неорганического к действию таинственной и непознанной «жизненной силы».

Современная биология основными свойствами живого считает:

1)самостоятельный обмен веществ,

2) раздражимость,

3) рост,

4) способность к размножению,

5) подвижность,

6) приспособляемость к среде

По совокупности этих свойств живое отличается от неживого. Биологические системы – это целостные открытые системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией, информацией и способные к самоорганизации. Живые системы активно реагируют на изменения окружающей среды, приспосабливаются к новым условиям. Отдельные качества живого могут быть присущи и неорганическим системам, но ни одна из неорганических систем не обладает совокупностью перечисленных свойств.

Существуют переходные формы, которые объединяют в себе свойства живого и неживого, например вирусы. Слово «вирус» образовано от латинского virus – яд. Вирусы были открыты в 1892 году русским ученым Д.Ивановским. С одной стороны, они состоят из белков и нуклеиновых кислот и способны к самовоспроизводству, т.е. имеют признаки живых организмов, но с другой стороны, вне чужого организма или клетки они не проявляют признаков живого – не имеют собственного обмена веществ, не реагируют на раздражители, не способны к росту и размножению.

Все живые существа на Земле имеют одинаковый биохимический состав: 20 аминокислот, 5 азотистых оснований, глюкоза, жиры. Современной органической химии известно более 100 аминокислот. По-видимому, такое небольшое число соединений, образующих все живое, является результатом отбора, который происходил на этапе предбиологической эволюции. Белки, из которых состоят живые системы, представляют собой высокомолекулярные органические соединения. В каждом конкретном белке порядок аминокислот всегда один и тот же. Большинство белков выступает в качестве ферментов – катализаторов химических реакций, происходящих в живых системах.

Значительным достижением классической биологии стало создание теории клеточного строения живых организмов. В комплексе современных биологических знаний существует отдельная дисциплина, занимающаяся изучением клетки – цитология.

Понятие «клетка» было введено в научных обиход английским ботаником Р.Гуком в 1665 году. Рассматривая среды высушенной пробки, он обнаружил множество ячеек, или камер, которые назвал клетками. Однако с момента этого открытия до создания клеточной теории прошло два столетия.

В 1837 году немецкий ботаник М.Шлейден предложил теорию образования растительных клеток. По мнению Шлейдена, важную роль в размножении и развитии клеток играет клеточное ядро, существование которого было устновлено в 1831 году Р.Броуном.

В 1839 году соотечественник М.Шлейдена анатом Т.Шванн, опираясь на экспериментальные данные и теоретические выводы создал клеточную теориюстроения живых организмов. Создание в середине 19 века клеточной теории стало существенным шагом в становлении биологии как самостоятельной научной дисциплины.

Основные положения клеточной теории

1. Клетка – это элементарная биологическая единица, структурно-функциональная основа всего живого.

2. Клетка осуществляет самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегуляции.

3. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря их делению.

Клеточная теория строения живых организмов стала убедительным аргументом в пользу идеи единства происхождения жизни на Земле и оказала существенное влияние на формирование современной научной картины мира.

Строение растительной и животной клетки. Прокариоты и эукариоты

В строении и жизнедеятельности растительной и животной клеток много общего.

Общие черты растительных и животных клеток:

1. Принципиальное единство строения.

2. Сходство в протекании многих химических процессов в цитоплазме и ядре.

3. Единство принципа передачи наследственной информации при делении клетки.

4. Сходное строение мембран.

5. Единство химического состава.

Животная клетка

Растительная клетка

Растительная клетка отличается от животной клетки следующими особенностями строения:

1) Растительная клетка имеет клеточную стенку (оболочку).

Клеточная стенка находится за пределами плазмалеммы (цитоплазматической мембраны) и образуется за счет деятельности органоидов клетки: эндоплазматической сети и аппарата Гольджи. Основу клеточной стенки составляет целлюлоза (клетчатка). Клетки, окруженные твердой оболочкой, могут воспринимать из окружающей среды необходимые им вещества только в растворенном состоянии. Поэтому растения питаются осмотически. Интенсивность же питания зависит от величины поверхности тела растения, соприкасающейся с окружающей средой. Поэтому у растений тело больше расчленено, чем у животных.

Существование у растений твердых клеточных оболочек обусловливает еще одну особенность растительных организмов — их неподвижность, в то время как у животных мало форм, ведущих прикрепленный образ жизни.

2) У растений в клетке имеются особые органоиды — пластиды.

Наличие пластид связано с особенностями обмена веществ растений, их автотрофным типом питания. Различают три вида пластид: лейкопласты — бесцветные пластиды, в которых из моносахаридов и дисахаридов синтезируется крахмал (есть лейкопласты, запасающие белки или жиры);

хлоропласты — зеленые пластиды, содержащие пигмент хлорофилл, где осуществляется фотосинтез;

хромопласты, накапливающие пигменты из группы каротиноидов, которые придают им окраску от желтой до красной.

3) В растительной клетке имеются вакуоли, ограниченные мембраной - тонопластом. У растений слабо развита система выделения отбросов, поэтому вещества, ненужные клетке, накапливаются в вакуолях. Кроме того, ряд накапливаемых веществ определяют осмотические свойства клетки.

4) В растительной клетке отсутствуют центриоли (клеточный центр).

Черты сходства указывают на близость их происхождения. Признаки различия говорят о том, что клетки вместе с их владельцами прошли длительный путь исторического развития.

Прокариоты и эукариоты

Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы: предъядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты).

Клетки прокариот, к которым относятся бактерии, в отличие от эукариот, имеют относительно простое строение. В прокариотической клетке нет организованного ядра, в ней содержится только одна хромосома, которая не отделена от остальной части клетки мембраной, а лежит непосредственно в цитоплазме. Однако в ней также записана вся наследственная информация бактериальной клетки.

Цитоплазма прокариот по сравнению с цитоплазмой эукариотических клеток значительно беднее по составу структур. Там находятся многочисленные более мелкие, чем в клетках эукариот, рибосомы. Функциональную роль митохондрий и хло-ропластов в клетках прокариот выполняют специальные, довольно просто организованные мембранные складки.

Клетки прокариот, так же как и эукариотические клетки, покрыты плазматической мембраной, поверх которой располагается клеточная оболочка или слизистая капсула. Несмотря на относительную простоту, прокариоты являются типичными независимыми клетками.

Сравнительная характеристика прокариот и эукариот

Признаки	Прокариоты	Эукариоты
Ядерная оболочка	Нет	Есть
ДНК	Замкнута в кольцо (условно называется бактериальная хромосома)	Ядерная ДНК представляет собой линейную структуру и находится в хромосомах
Хромосомы	Нет	Есть
Митохондрии	Нет	Есть
Пластиды у автотрофов	Нет	Есть
Способ поглощения пищи	Адсорбция через клеточную мембрану	Фагоцитоз и пиноцитоз
Пищеварительные вакуоли	Нет	Есть
Жгутики	Есть	Есть

Основы генетики

Генетика как наука возникла на рубеже 19-20 веков. Она изучает два основных свойства организмов – наследственность и изменчивость.

Наследственность – это свойство живых организмов сохранять и передавать при размножении в ряду поколений характерные для вида или популяции особенности строения, функционирования и развития.

Изменчивость – это способность потомков приобретать новые признаки и свойства, отсутствующие у родительских форм, и терять старые.

Основными задачами генетики являются: 1) изучение материальных структур клетки – носителей генетической информации;

2) изучение механизма передачи генетической информации от поколения к поколению всех живых организмов;

3) изучение механизмов становления признаков в процессе индивидуального развития под контролем генов и влиянием условий внешней среды;

4) изучение причин и механизмов изменчивости;

5) изучение взаимосвязи процессов наследственности, изменчивости и отбора.

Задачи современной генетики состоят не только в решении указанных теоретических проблем, раскрывающих перспективу познания кардинальных явлений природы. Эта наука призвана решать практические задачи, такие как: 1) выбор наиболее эффективных типов скрещивания и способов отбора;

2) изучение и разработка путей и методов управления развитием наследственных, наиболее ценных признаков и подавление нежелательных;

3) искусственное получение новых форм живых организмов;

4) разработка мероприятий по защите внешней среды;

5) разработка методов генетической инженерии для получения высокоэффективных

продуцентов различных биологически активных соединений и др.

Первый шаг в познании закономерностей наследственности сделал выдающийся чешский исследователь Грегор Мендель (1822 – 1884). Он показал, что признаки организмов определяются дискретными (отдельными) наследственными факторами.

Ген – материальная единица наследственности, определяющая отдельный признак (от структуры молекулы белка до реакции организма). Этот участок молекулы ДНК в хромосоме (у некоторых вирусов – молекулы РНК).

В 1909 г. Вильгельм Иогансен назвал генами постулированные Грегором Менделем в 1865 г. наследственные факторы.

Особенности функционирования генов

Свойства генов и особенности их проявления в признаках состоят в следующем:

1) Гены линейно расположены в хромосоме.

2) Ген специфичен – отвечает за проявление строго определенного признака.

3) Ген дискретен – обособлен в своем проявлении от других генов.

4) Ген может усиливать проявление признака при увеличении числа доминантных аллелей.

5) Ген может действовать множественно на развитие разных признаков.

6) Разные гены могут одинаково действовать на проявление одного признака, образуя генный комплекс, или полигенные системы.

7) Ген может подавлять эффект какого-либо гена (явление эпистаза).

8) Действие гена может быть изменено в зависимости от его местонахождения в хромосоме (эффект положения).

Аллельные гены (аллели) – гены, определяющие альтернативное развитие одного и того же признака и расположенные в идентичных участках гомологичных хромосом.

Генотип и фенотип

Генотип – совокупность всех генов и цитоплазматических их носителей, определяющих развитие всех наследственных признаков и свойств организма.

У каждого вида генотип рассматривают не как механический набор генов, а как единую систему генетических элементов, взаимодействующих на различных уровнях (например, аллели одного или разных генов).

Генотип контролирует развитие, строение и жизнедеятельность организма – его фенотип.

Фенотип – формируется под влиянием генотипа и условий среды.

Термин «генотип» предложил в 1909 г. Вильгельм Иогансен в 1909 г., а Грегор Мендель понимал под генотипом совокупность наследственных задатков.

Основной метод, который Г.Мендель разработал и положил в основу своих опытов, называют гибридологическим. И в настоящее время среди множества современных методов генетического анализа центральное место до сих пор принадлежит гибридологическому методу.

Суть его заключается в скрещивании (гибридизации) организмов, отличающихся друг от друга по одному или нескольким признакам, и в последующем анализе потомства.

Этот метод используется на молекулярном (гибридизация молекул ДНК или РНК), клеточном (гибридизация соматических клеток) и организменном уровнях в селекции микроорганизмов, растений и животных.

Законы Г.Менделя

Первый закон Менделя (закон единообразия гибридов первого поколения или правило доминирования): при скрещивании чистых линий наблюдалось единообразие первого поколения и доминирование одного признака над другим (в исследуемой паре признаков).

Признак, который проявляется у гибридов первого поколения, Г. Мендель назвал доминантным, а признак, который подавляется – рецессивным.

Второй закон Менделя (закон расщепления): в потомстве, полученном от скрещивания гибридов первого поколения, наблюдается явление расщепления: четверть особей из гибридов второго поколения несет рецессивный признак, три четверти – доминантный.

Первый и второй законы Г.Менделя выполняются только при моногибридном скрещивании, т.е. скрещивании при котором родительские организмы отличаются только по одному изучаемому признаку.

Установив закономерности наследования одного признака, Г.Мендель начал изучать наследование признаков, за которые отвечают две пары аллельных генов. Скрещивание, в котором участвуют особи, отличающиеся по двум парам аллелей, называют дигибридным скрещиванием.

Третий закон Г.Менделя

Третий закон Менделя (закон независимого наследования признаков или независимого комбинирования генов): при скрещивании особей, отличающихся по двум или более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг до друга.

Опыты Менделя послужили основой для развития современной генетики. Ему удалось выявить закономерности наследования благодаря принципиально новым методическим подходам, которым и по сей день следуют все генетики:

1. Скрещиваемые организмы должны принадлежать к донному виду.

2. Скрещиваемые организмы должны четко различаться одной, двумя и более парам альтернативных, контрастных признаков.

3. Изучаемые признаки должны быть константы, т.е. воспроизводится из поколения в поколение при скрещивании и пределах родственной формы.

4. Должен применяться индивидуальный анализ потомства от каждого гибридного организма.

5. Необходимо использовать количественный учет гибридных организмов, различающихся по отдельным парам альтернативных признаков, в ряду последовательных поколений.

Хромосомное определение пола

Аутосомы – это хромосомы, не отличающиеся у самок и самцов. Например, в клетках человека 23 \2 пары хромосом из 23 являются аутосомами, а у мухи дрозофилы – 3 пары из 4.

Половые хромосомы – это хромосомы, отличающиеся по набору и строению генов у самок и самцов. У самок млекопитающих половые хромосомы одинаковы, а у самцов – различны. То есть особи женского пола гомогаменты (ХХ), а особи мужского пола – гетерогаментны (ХУ).

У некоторых насекомых (например, кузнециков и клопов) у самцов может отсутствовать У – хромосома: в их геноме находится только одна Х – хромосома. У бабочек, птиц и некоторых рептилий самки гетерогаметны, а самцы – гомогаметны.

Решение задач по генетике

При решении задач используют следующие символы:

Р – родительские организмы

F1, F2 и т.д. – гибриды 1-го, 2-го и т.д. поколений

Х – скрещивание

G – гаметы (половые клетки)

♀ - женский пол (зеркало Венеры)

♂ - мужской пол (щит и копье Марса)

Гены, отвечающие за развитие доминантных признаков, обозначаются большими латинскими буквами – А, В, С и т.д.

Гены, отвечающие за развитие рецессивных признаков, обозначаются маленькими латинскими буквами – а, b, с и т.д.

Задачи

1. Задача на моногибридное скрещивание, полное доминирование

Белый кролик (аа) скрещивается с черным кроликом (АА). Гибридные кролики скрещиваются между собой. Какое потомство у них получится?

Решение:

В условии задачи введены условные обозначения доминантного и рецессивного генов, поэтому вводить условные обозначения в данной задаче нет необходимости.

Фенотип организма будем записывать над чертой, генотип - под чертой. Поскольку каждая хромосома представлена в соматических клетках двумя гомологами, каждый ген также присутствует в двух экземплярах: аа или АА, т.е. для соматических клеток характерен диплоидный (двойной) набор хромосом.

белый кролик черный кролик

Р: ♀ --------------- Х ♂ -----------------

аа АА

Дальше рассмотрим процесс образования гамет, который происходит в процессе мейоза. Число хромосом при этом уменьшается в два раза, следовательно, для гамет будет характерен гаплоидный (одинарный) набор хромосом

G: а а Х А А

При слиянии женских и мужских гамет в данном случае возможен только один генотип:

черный кролик черный кролик

F1: ♀------------- Х ♂ --------------

Аа Аа

Фенотип у гибридов первого поколения будет только один – черный цвет, т.к. доминантный ген А будет подавлять действие рецессивного – а. Все особи в данном случае будут гетерозиготными.

Рассмотрим процесс образования гамет:

G: А а Х А а

В данном случае образуются разные типы гамет: А и а.

При слиянии женских и мужских гамет возможно четыре варианта генотипа:

черный кролик черный кролик черный кролик белый кролик

F2: ------------- ; -------------- ; -------------- ; ---------------

АА Аа Аа аа

Гомозигота гетерозигота гетерозигота гомозигота

Ответ: В потомстве у гибридов второго поколения (F2) три четверти особей имеют черную окраску и одна четверть белую.

2. Задача на моногибридное скрещивание, неполное доминирование

Определите, какие генотипы и фенотипы у гибридов первого и второго поколения получаться в результате скрещивания чистых линий белых и красных цветов ночной красавицы, если все гетерозиготные организмы имеют промежуточный фенотип (розовые цветы). Белый цвет определяется рецессивным геном, красный – доминантным.

Дано:

D – ген, определяющий красный цвет лепестков цветов

d – ген, определяющий белый цвет лепестков цветов

Dd – гетерозигота, имеет розовый цвет лепестков цветов

Решение:

Красный Белый

Р: ♀ --------------- Х ♂ -----------------

DD dd

G: D D Х d d

Розовый Розовый

F1: ♀ ------------- Х ♂ --------------

Dd Dd

G: D d Х D d

Красный Розовый Розовый Белый

F1: ------------- ; -------------- ; --------------- ; --------------

DD Dd Dd dd

Ответ: 1) генотип гибридов первого поколения – Dd , фенотип – розовый.

2) генотипы гибридов второго поколения: DD, Dd, dd; фенотипы соответственно – красный, розовый, белый.

3. Задача на моногибридное скрещивание

Молодые родители удивлены, что у них имеющих вторую группу крови, родился ребенок с первой группой крови. Определите вероятность рождения ребенка с первой группой крови.

Генетическое определение групп крови

◦ ◦

1 группа крови (0 группа) – i i

А А А ◦

2 группа крови (А группа) – I I или I i

В В В ◦

3 группа крови (В группа) – I I или I i

А В

4 группа крови (АВ группа) - I I

Для 4 группы крови характерно явление кодоминирования, когда два доминантных гена действуют в совокупности и не подавляют действие друг друга.

Решение:

Так как у обоих родителей 2 группа крови, то возможно два варианта генотипа:

2 группа 2 группа

Р: ♀ --------------- Х ♂ -----------------

А А А ◦ А А А ◦

I I или I i I I или I i

Ребенок в этой семье имеет первую группу крови, т.е. его генотип:

1 группа

F1: ------------

◦ ◦

i i

Ребенок всегда берет один ген от матери и один ген от отца, следовательно, для того чтобы иметь первую группу крови его родители должны иметь генотип по группе

А ◦

крови: I i

2 группа 2 группа

Р: ♀ --------------- Х ♂ -----------------

А ◦ А ◦

I i I i

G: А ◦ А ◦

I i Х I i

Для определения вероятности используют запись в виде решетки Пеннета:

F1:

G ♀

♂

◦

А А

I I

Вторая группа крови

А ◦

I i

Вторая группа крови

◦

А ◦

I i

Вторая группа крови

◦ ◦

i i

Первая группа крови

Ответ: вероятность появления ребенка с первой группой крови составляет ¼ или 25%.

4. Задача на моногибридное скрещивание, полное доминирование

Голубоглазый мужчина женился на кареглазой женщине, отец которой имел карие глаза, а мать голубые. От этого брака родился сын. Определите генотипы всех упомянутых лиц и определите вероятность появления такого фенотипа у ребенка.

Дано:

А – ген карих глаз

а – ген голубых глаз

Решение:

В задаче рассматривается три поколения, поэтому рассмотрим родительские организмы (Р), гибриды первого поколения (F1) и гибриды второго поколения (F2):

голубые глаза карие глаза

Р: ♀-------------- Х ♂-------------- родители женщины

аа АА или Аа

G: а а Х А А А а

карие глаза голубые глаза

F1: ♀------------ Х ♂ --------------

аА аа

G: а А Х а а

Для того, чтобы определить вероятность появления фенотипа, составим решетку Пеннета:

F2:

♀

♂

аа

голубые глаза

Аа

карие глаза

аа

голубые глаза

Аа

карие глаза

Ответ: 1) Генотип матери женщины - аа

- генотип отца женщины – АА или Аа

- генотип женщины – аА

- генотип мужцины – аа

- генотип ребенка – аа

2) вероятность появления голубоглазого ребенка – ½ или 50%

5. Задача на дигибридное скрещивание

У мухи дрозофилы серая окраска тела и наличие щетинок – доминантные признаки, которые наследуются независимо. Какое потомство следует ожидать от скрещивания желтой самки без щетинок с гетерозиготным по обоим признакам самцом.

Дано:

А – ген серой окраски

а – ген желтой окраски

В – ген наличия щетинок (+)

В – ген отсутствия щетинок (-)

Решение:

Р: желтая окраска, щетинки (– ) серая окраска, щетинки( +)

♀ --------------------------------------- Х ♂ -----------------------------------

аа вв Аа Вв

G: ав ав Х АВ Ав аВ ав

♂ ♀

АВ

Ав

аВ

ав

АаВв

серая,

щетинки (+)

Аавв

серая,

щетинки(-)

ааВв

желтая,

щетинки( -)

аавв

желтая,

щетинки (-)

ав

АаВв

серая,

щетинки (+)

Аавв

серая,

щетинки(-)

ааВв

желтая,

щетинки( -)

аавв

желтая,

щетинки (-)

Ответ: желтых, без щетинок – 25%

желтых, с щетинками – 25%

серых, без щетинок – 25%

серых, с щетинками – 25%

Модификационная и наследственная изменчивость

Изменчивость — способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства. Благодаря изменчивости, организмы могут приспосабливаться к изменяющимся условиям среды обитания.

Различают две основные формы изменчивости: наследственная и ненаследственная.

Наследственная, или генотипическая, изменчивость — изменения признаков организма, обусловленные изменением генотипа. Она, в свою очередь, подразделяется на комбинативную и мутационную. Комбинативная изменчивость возникает вследствие перекомбинации наследственного материала (генов и хромосом) во время гаметогенеза и полового размножения. Мутационная изменчивость возникает в результате изменения структуры наследственного материала.

Ненаследственная, или фенотипическая, или модификационная, изменчивость — изменения признаков организма, не обусловленные изменением генотипа.

Модификационная изменчивость — это изменения признаков организмов, не обусловленные изменениями генотипа и возникающие под влиянием факторов внешней среды. Среда обитания играет большую роль в формировании признаков организмов. Каждый организм развивается и обитает в определенной среде, испытывая на себе действие ее факторов, способных изменять морфологические и физиологические свойства организмов, т.е. их фенотип.

Примером изменчивости признаков под действием факторов внешней среды является разная форма листьев у стрелолиста: погруженные в воду листья имеют лентовидную форму, листья, плавающие на поверхности воды, — округлую, а находящиеся в воздушной среде, — стреловидную. Под действием ультрафиолетовых лучей у людей (если они не альбиносы) появляется загар в результате накопления в коже меланина, причем у разных людей интенсивность окраски кожи различна.

Модификационная изменчивость характеризуется следующими основными свойствами: 1) ненаследуемость;

2) групповой характер изменений (особи одного вида, помещенные в одинаковые условия, приобретают сходные признаки);

3) соответствие изменений действию фактора среды;

4) зависимость пределов изменчивости от генотипа.

Несмотря на то, что под влиянием условий внешней среды признаки могут изменяться, эта изменчивость не беспредельна. Это объясняется тем, что генотип определяет конкретные границы, в пределах которых может происходить изменение признака. Степень варьирования признака, или пределы модификационной изменчивости, называют нормой реакции. Норма реакции выражается в совокупности фенотипов организмов, формирующихся на основе определенного генотипа под влиянием различных факторов среды. Как правило, количественные признаки (высота растений, урожайность, размер листьев, удойность коров, яйценоскость кур) имеют более широкую норму реакции, то есть могут изменяться в широких пределах, чем качественные признаки (цвет шерсти, жирность молока, строение цветка, группа крови). Знание нормы реакции имеет большое значение для практики сельского хозяйства.

Мутационная изменчивость Лечение и предупреждение некоторых наследственных болезней человека.

Мутационная изменчивость (мутации) — это стойкие внезапно возникшие изменения структуры наследственного материала на различных уровнях его организации, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.

Термин «мутация» введен в науку Де Фризом. Им же создана мутационная теория, основные положения которой не утратили своего значения и по сей день.

Основные положения мутационной теории

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно, без всяких переходов.

2. Мутации наследственны, т.е. стойко передаются из поколения в поколение.

3. Мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг среднего типа (как при модификационной изменчивости), они являются качественными изменениями.

4. Мутации ненаправленны — мутировать может любой локус, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков в любом направлении.

5. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

6. Мутации индивидуальны, то есть возникают у отдельных особей.

Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом, а факторы среды, вызывающие появление мутаций, — мутагенами.

По типу клеток, в которых мутации произошли, различают: генеративные и соматические мутации.

Генеративные мутации возникают в половых клетках, не влияют на признаки данного организма, проявляются только в следующем поколении.

Соматические мутации возникают в соматических клетках, проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении. Сохранить соматические мутации можно только путем бесполого размножения (прежде всего вегетативного).

По адаптивному значению выделяют: полезные, вредные (летальные, полулетальные) и нейтральные мутации. Полезные — повышают жизнеспособность, летальные — вызывают гибель, полулетальные — снижают жизнеспособность, нейтральные — не влияют на жизнеспособность особей. Следует отметить, что одна и та же мутация в одних условиях может быть полезной, а в других — вредной.

По характеру проявления мутации могут быть доминантными и рецессивными. Если доминантная мутация является вредной, то она может вызвать гибель ее обладателя на ранних этапах онтогенеза. Рецессивные мутации не проявляются у гетерозигот, поэтому длительное время сохраняются в популяции в «скрытом» состоянии и образуют резерв наследственной изменчивости. При изменении условий среды обитания носители таких мутаций могут получить преимущество в борьбе за существование.

В зависимости от того, выявлен ли мутаген, вызвавший данную мутацию, или нет, различают индуцированные и спонтанные мутации. Обычно спонтанные мутации возникают естественным путем, индуцированные — вызываются искусственно.

В зависимости от уровня наследственного материала, на котором произошла мутация, выделяют: генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные мутации

Генные мутации — изменения структуры генов. Поскольку ген представляет собой участок молекулы ДНК, то генная мутация представляет собой изменения в нуклеотидном составе этого участка. Генные мутации могут происходить в результате:

1) замены одного или нескольких нуклеотидов на другие;

2) вставки нуклеотидов;

3) потери нуклеотидов;

4) удвоения нуклеотидов;

5) изменения порядка чередования нуклеотидов.

Эти мутации приводят к изменению аминокислотного состава полипептидной цепи и, следовательно, к изменению функциональной активности белковой молекулы. Благодаря генным мутациям возникают множественные аллели одного и того же гена.

Заболевания, причиной которых являются генные мутации, называются генными (фенилкетонурия, серповидноклеточная анемия, гемофилия и т.д.). Наследование генных болезней подчиняется законам Менделя.

Хромосомные мутации

Это изменения структуры хромосом. Перестройки могут осуществляться как в пределах одной хромосомы — внутрихромосомные мутации (делеция, инверсия, дупликация, инсерция), так и между хромосомами — межхромосомные мутации

Хромосомные мутации: 1 — парахромосом; 2 — делеция; 3 — дупликация; 4, 5 — инверсия; 6 — инсерция.

Заболевания, причиной которых являются хромосомные мутации, относятся к категории хромосомных болезней. К таким заболеваниям относятся синдром «крика кошки», транслокационный вариант синдрома Дауна и др.

Геномные мутации

Геномной мутацией называется изменение числа хромосом. Геномные мутации возникают в результате нарушения нормального хода митоза или мейоза.

Гаплоидия — уменьшение числа полных гаплоидных наборов хромосом.

Полиплоидия — увеличение числа полных гаплоидных наборов хромосом: триплоиды (3n), тетраплоиды (4n) и т.д.

Гетероплоидия — некратное увеличение или уменьшение числа хромосом. Чаще всего наблюдается уменьшение или увеличение числа хромосом на одну (реже две и более).

Лечение и предупреждение некоторых наследственных болезней человека

Интерес, проявляемый учеными всего мира к наследственности человека, не случаен. В последние десятилетия человечество тесно соприкасается с чуждыми для него химическими веществами. Число таких веществ, применяемых в быту, сельском хозяйстве, пищевой, фармакологической, косметической промышленности и в других областях деятельности людей, в настоящее время огромно. Среди этих веществ есть и такие, которые вызывают мутации.

Благодаря развитию медицины человек научился бороться с очень многими заболеваниями. Он успешно защищает себя от большинства очень опасных инфекционных заболеваний: оспы, чумы, холеры, малярии и др.

Частота хромосомных мутаций у человека велика и является причиной нарушений (до 40 %) у новорожденных. Кроме упоминавшихся хромосомных болезней существует множество других, обычно приводящих к тяжелым последствиям, а чаще – к гибели эмбриона. В большинстве случаев хромосомные мутации возникают в гаметах родителей заново, реже они существуют у одного из родителей и передаются потомкам.

Химические мутагены и ионизирующие излучения, при существенном повышении концентраций и доз вызывают возрастание частоты появления хромосомных мутаций. Спонтанные генные мутации происходят гораздо реже. Вероятность мутации в конкретном гене может колебаться около 10-5, в среднем на диплоидный геном приходится около двух новых мутаций. Однако далеко не все мутации вредны в гетерозиготном состоянии, они могут накапливаться и популяциях человека. Позднее, переходя в гомозиготное состояние, многие мутации могут приводить к возникновению тяжелых наследственных болезней.

Наследственные аномалии обмена веществ. Повышенный интерес медицинской генетики к наследственным заболеваниям объясняется тем, что во многих случаях знание биохимических механизмов развития заболевания позволяет облегчить страдания больного. Больному вводят несинтезирующиеся в организме ферменты или исключают из пищевых рационов продукты, которые не могут быть использованы вследствие отсутствия в организме необходимых для этого ферментов. Заболевание сахарным диабетом характеризуется повышением концентрации сахара в крови вследствие отсутствия инсулина – гормона поджелудочной железы. Это заболевание вызывается рецессивным геном. Оно лечится введением в организм инсулина, который теперь уже научились вырабатывать на фабриках, используя генно-инженерные методы. Однако следует помнить, что вылечивается только болезнь, т.е. фенотипическое проявление «вредного» гена, и вылеченный человек продолжает оставаться его носителем и может передавать этот ген своим потомкам. Сейчас известны сотни заболеваний, в которых механизмы биохимических нарушений изучены достаточно подробно. В некоторых случаях современные методы микроанализов позволяют обнаружить такие биохимические нарушения даже в отдельных клетках, а это, в свою очередь, позволяет ставить диагноз о наличии подобных заболеваний у еще не родившегося ребенка по отдельным клеткам в околоплодной жидкости.

Таким образом, определенной прогресс в лечении наследственных болезней обмена произошел за последние 10 лет, но это, безусловно, только частичный прогресс. Должны развиваться методы генной терапии, пересадки органов и тканей, фармакотерапии, методы улучшения поддерживающих систем для восстановления нормального гомеостаза.

Чарльз Дарвин и его теория происхождения видов. Вид. Критерии вида. Популяция

Эволюция – происходящий во времени необратимый процесс изменения какой-либо системы, благодаря чему возникает что-то новое, разнородное, на более высокой ступени развития, а также отмирает несовершенное.

Биологическая эволюция – это необратимое и в известной степени, направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, образованием и вымиранием видов, преобразованием биосферы в целом.

Основные принципы эволюционной теории Ч. Дарвина

Сущность дарвиновской концепции эволюции сводится к ряду логичных, проверяемых в эксперименте и подтвержденных огромным количеством фактических данных положений:

1. В пределах каждого вида живых организмов существует огромный размах индивидуальной наследственной изменчивости по морфологическим, физиологическим, поведенческим и любым другим признакам. Эта изменчивость может иметь непрерывный, количественный, или прерывистый качественный характер, но она существует всегда.

2. Все живые организмы размножаются в геометрической прогрессии.

3. Жизненные ресурсы для любого вида живых организмов ограничены, и поэтому должна возникать борьба за существование либо между особями одного вида, либо между особями разных видов, либо с природными условиями. В понятие «борьба за существование» Дарвин включил не только собственно борьбу особи за жизнь, но и борьбу за успех в размножении.

4. В условиях борьбы за существование выживают и дают потомство наиболее приспособленные особи, имеющие те отклонения, которые случайно оказались адаптивными к данным условиям среды.

Это принципиально важный момент в аргументации Дарвина. Отклонения возникают не направленно — в ответ на действие среды, а случайно. Немногие из них оказываются полезными в конкретных условиях. Потомки выжившей особи, которые наследуют полезное отклонение, позволившее выжить их предку, оказываются более приспособленными к данной среде, чем другие представители популяции.

5. Выживание и преимущественное размножение приспособленных особей Дарвин назвал естественным отбором.

6. Естественный отбор отдельных изолированных разновидностей в разных условиях существования постепенно ведет к дивергенции (расхождению) признаков этих разновидностей и, в конечном счете, к видообразованию.

На этих постулатах, безупречных с точки зрения логики и подкрепленных огромным количеством фактов, была создана современная теория эволюции.

Главная заслуга Дарвина в том, что он установил механизм эволюции, объясняющий как многообразие живых существ, так и их изумительную целесообразность, приспособленность к условиям существования. Этот механизм — постепенный естественный отбор случайных ненаправленных наследственных изменений.

Вид

Основной, элементарной и реально существующей единицей органического мира, или иначе — универсальной формой существования жизни, является вид (от лат. species — взгляд, образ). Вид — исторически сложившаяся совокупность популяций, особи которых обладают наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, могут свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство, приспособлены к определенным условиям жизни и занимают определенную область — ареал.

Особи, принадлежащие к одному виду, не скрещиваются с особями другого вида, характеризуются генетической общностью, единством происхождения. Вид существует во времени: он возникает, распространяется (в период расцвета), может сохраняться неопределенно долгое время в устойчивом, почти неизменном состоянии (реликтовые виды) или непрерывно изменяться. Одни виды со временем исчезают, не оставляя новых ветвей. Другие дают начало новым видам.

Вид — основная категория биологической классификации. Понятие «вид» впервые было введено в конце 17 в. английским ботаником Джоном Реем (1627—1709).

Критерии вида.

Критерии вида – это признаки, по которым один вид можно отличить от другого, называют критериями вида.

1. Морфологический критерий – главный критерий, основанный на внешних различиях между видами животных или растений.

2. Географический критерий – основан на том, что каждый вид обитает в пределах определенного пространства (ареала).

3. Экологический критерий – предполагает, что каждый вид характеризуется определенным типом питания, местом обитания, сроками размножения, т.е. занимает определенную экологическую нишу.

4. Генетический критерий – заключает в себе главное свойство вида – его генетическую изоляцию от других. Животные и растения разных видов почти никогда не скрещиваются между собой.

По одному из критериев нельзя точно различать виды между собой. Определить принадлежность особи к конкретному виду можно только на основании совокупности всех или большинства критериев.

Популяция

Особи, занимающие определенную территорию и свободно скрещивающиеся между собой, называются популяцией

Популяция - совокупность особей одного вида, занимающих определенную территорию и обменивающихся генетическим материалом. Совокупность генов всех особей в популяции называется генофондом популяции. В каждом поколении отдельные особи вносят больший или меньший вклад в общий генофонд в зависимости от их приспособительной ценности. Неоднородность организмов, входящих в популяцию, создает условия для действия естественного отбора, поэтому популяция считается наименьшей эволюционной единицей, с которой начинается эволюционные преобразования вида. Популяция, таким образом, представляет собой надорганизменную формулу организации жизни, это единица эволюционного процесса. Популяция не является полностью изолированной группой. Иногда происходит скрещивание между особями различных популяций. Если какая-то популяция окажется полностью географически или экологически изолированной от других, то она может дать начало новому подвиду, а впоследствии и виду

Основные направления эволюционного процесса.

Возникновение и эволюция биологических систем – исходная тема биологии. В соответствии с двумя основными мировоззренческими позициями – материалистической и идеалистической – еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической. Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами.

Сторонники концепции происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позже эта позиция была конкретизирована в идее самозарождения жизни.

В 19 веке была также выдвинута гипотеза вечного существования жизни и ее космического происхождения на Земле. В 1865 году немецкий врач Г.Рихтер высказал предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую. В 1907 году шведский ученый С.Аррениус выдвинул схожую гипотезу, согласно которой зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планеты, дают начало жизни. Эта гипотеза получила название панспермии. В начале 20 века идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый В.И.Вернадский.

В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин в результате длительного процесса космической, геологической и химической эволюции - абиогенез.

Абиогенная концепция не исключает возможности существования жизни в космосе и ее космического происхождения на Земле. Выделяют следующие этапы эволюции жизни на земле:

1. Химическая эволюция

После возникновения Земля представляла собой раскаленный шар. Постепенное остывание планеты способствовало тому, что тяжелые элементы перемещались к ее центру, а легкие постепенно скапливались на поверхности. Легкие элементы – кислород, углерод, азот и водород – стали взаимодействовать друг с другом, и в ходе дальнейшей химической эволюции появились различные органические соединения.

В результате этих химических реакций образовались различные углеводородные соединения.

2. Появление белковых веществ

Присутствие в водах первичного океана большого числа углеродных соединений привело к возникновению концентрированного «органического бульона», в котором осуществлялся дальнейший процесс синтеза сложных органических молекул – белков и нуклеиновых кислот – из достаточно простых углеродных соединений.

Одним из условий для синтеза сложных органических молекул – биополимеров – является высокая концентрация исходных веществ. Предполагается, что необходимые условия сложились в результате осаждения простых органических молекул на минеральных частицах.

Кроме того, для синтеза биополимеров необходимо наличие бескислородной среды, так как кислород, являясь сильным окислителем, разрушил бы исходные органические соединения. Первичная атмосфера земли носила восстановительный характер. Она была насыщена инертными газами – гелием, неоном, аргоном, водородом, аммиаком, азотом.

Возможность абиогенного синтеза биополимеров – белковых молекул была доказана в середине 20 века. В 1953 году американский ученый С.Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал жирные кислоты, уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических разрядов через смесь инертных газов. Таким образом, было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.

Согласно гипотезе русского ученого А.И.Опарина, высказанной им в 1924 г. разрозненные органические соединения способны образовывать коацерватные капли.

Коацерваты уже обладают рядом свойств, которые объединяют их с простейшими живыми существами. Они способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, увеличиваться в размерах и т.п. Однако коацерваты не способны размножаться.

2. Формирование у органических соединений способности к самовоспроизводству

Началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции. Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М.Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Возникает замкнутая цепь – гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов.

Таким образом, жизнь на Земле возникла абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого.

Воздействие экологических факторов на организм человека. Рациональное природопользование.

Противоречия во взаимоотношениях общества и природы во второй половине 20 века стали угрожающими. Стало понятно, что человек, как биологический вид своей жизнедеятельностью оказывает огромное влияние на природную среду. По мнению В.И.Вернадского, человеческая деятельность превратилась в мощную преобразующую Землю силу, сопоставимую с геологическими процессами. Изменения в окружающем человека мире в свою очередь оказывают влияние на самого человека. Выделяют

экологи́ческие фа́кторы — свойства среды обитания, оказывающее какое-либо воздействие на организм.

Экологические факторы отличаются значительной изменчивостью во времени и пространстве. Например, температура сильно варьирует на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана или в глубине пещер.

Экологические факторы могут выступать как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических функций; как ограничители, обусловливающие невозможность существования тех или иных организмов в данных условиях; как модификаторы, определяющие морфо-анатомические и физиологические изменения организмов.

Организмы испытывают воздействие не статичных неизменных факторов, а их режимов — последовательности изменений за определённое время.

По характеру воздействия

1. Прямо действующие — непосредственно влияющие на организм, главным образом на обмен веществ

2. Косвенно действующие — влияющие опосредованно через изменение прямо действующих факторов (рельеф, экспозиция, высота над уровнем моря и др.)

По происхождению

1. Абиотические — факторы неживой природы:

климатические: годовая сумма температур, влажность, давление воздуха, радиоактивность, интенсивность солнечного излучения и т.д.

2. Биотические — связанные с деятельностью живых организмов:

фитогенные — влияние растений

микогенные — влияние грибов

зоогенные — влияние животных

микробиогенные — влияние микроорганизмов

Действие экологических факторов на организм

Факторы среды воздействуют на организм не по-отдельности, а в комплексе, соответственно, любая реакция организма является многофакторно обусловленной. При этом интегральное влияние факторов не равно сумме влияний отдельных факторов, так как между ними происходят различного рода взаимодействия, которые можно подразделить на четыре основных типа:

Монодоминантность — один из факторов подавляет действие остальных и его величина имеет определяющее значение для организма. Так, полное отсутствие, либо нахождение в почве элементов минерального питания в резком недостатке или избытке препятствуют нормальному усвоению растениями прочих элементов.

Синергизм — взаимное усиление нескольких факторов, обусловленное положительной обратной связью. Например, влажность почвы, содержание в ней нитратов и освещённость при улучшении обеспечения любым из них повышают эффект воздействия двух других.

Антагонизм — взаимное гашение нескольких факторов, обусловленное обратной отрицательной связью: увеличение популяции саранчи способствует уменьшению пищевых ресурсов и её популяция сокращается.

Провокационность — сочетание положительных и отрицательных для организма воздействий, при этом влияние первых усиливает влияние вторых. Так, чем раньше наступает оттепель, тем сильнее растения страдают от последующих заморозков.

Реакция организма на изменение экологических факторов

Рациональное природопользование

Биосфера (глобальная экосистема) - область существования и функционирования живых организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, поверхность суши и верхние слои литосферы. Включает в себя как вещество и пространство, так и живые организмы, которые в нем, как среде жизни, обитают.

Природопользование – это совокупность всех форм эксплуатации природных ресурсов, воздействие человека на природу в процессе ее хозяйственного использования. Чтобы подчеркнуть необходимость заботы о сохранении природных ресурсов и окружающей среды, говорят о рациональном природопользовании и охране природы.

Для сохранения здоровья человека, включая физическое, психологическое и нравственное, необходимо заботиться об экологическая устойчивости биосферы, что невозможно без рационального природопользования, т.е. экономно использовать природные ресурсы, восполнять израсходованные природные ресурсы,

преимущественно использовать возобновляемые природные ресурсы,

повторно использовать отработанные ресурсы и т.д.

Список использованной литературы

Стрельник О.Н. Концепции современного естествознания. Конспект лекций. М., 2011
Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996
Константинов В.М., Ю.Б.Челидзе. Экологические основы природопользования Учебник. М. 2006
Беляев Д.К.Общая биология. Учебник. М., 2009 г.
Лемеза Н., Камплюк Л. Биология. Учебное пособие. М., 2006
Чернышов В.Н., Егорова А.С. Химия. Учебное пособие. Ростов-на-Дону. 2000
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. Учебник. М., 2005
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. М., 2002

Дополнительные лекционные материалы по разделу БИОЛОГИЯ

Автор: Провоторова Ольга Сергеевна

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ.

Раздел 1. ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ.

Содержание раздела.

1. Основные положения клеточной теории.

Химическая организация клетки.

2.Обмен веществ и энергии в клетках.

3. Реализация генетической информации.

4. Строение клетки. Особенности клеток растений, животных, грибов, бактерий. Вирусы.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ. ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ.

1. Отличия живого от неживого.

Жизнь – это одна из важнейших тайн Вселенной. Но дать определение этого понятия крайне сложно. Однако даже маленькие дети стараются определить это понятие. Обычно ребенок обращает внимание на то, что живые существа активно двигаются, дышат, питаются, растут… Правда, он редко совмещает все эти свойства живых существ. Однажды на уроке один мальчик высказал просто гениальную мысль: « Живое отличается от неживого тем, что умирает».

И все же? Где же проходит черта между жизнью и смертью? Между живым и неживым? Оказывается, строгого определения жизни просто не существует.

Современная наука выделяет некоторые характерные для живых систем свойства.

1. Специфическая организация. 2. Обмен веществ и энергии. 3. Размножение.

4. Рост и развитие. 5. Способность адаптироваться, то есть приспосабливаться к изменениям окружающей среды.

Надо отметить, что некоторые из этих свойств присущи и неживой материи. Например, кристаллы тоже могут расти, но вот все пять свойств одновременно встречаются только в живых системах.

Свойства живой материи столь сложны, что являются предметом изучения нескольких биологических дисциплин, возникших на стыке биологии и физики, биологии и химии, биологии и информатики. Эти науки называются биофизика, биохимия, а вот информатика дает множество данных для нейрофизиологии.

В этой лекции речь пойдет, главным образом, о клетке.

Наука, изучающая строение, химический состав, биохимические и физиологические процессы, протекающие в клетках, называется цитологией.

Важнейшим свойством живых систем является обмен веществ. Это понятие включает ряд важных процессов. Во-первых, питание, во-вторых, дыхание, в-третьих, выделение, в-четвертых, метаболизм.

Химические реакции, протекающие в клетках живых организмов, результатом которых является получение энергии и синтез веществ, характерных для данного организма называется метаболизмом.

Питание может осуществляться организмами двумя способами. Первый способ характерен для растений, которые преобразуют неорганические вещества в органические. Второй способ характерен для животных, которые преобразуют уже готовые органические вещества в органические вещества, характерные для данного организма.

Первый способ питания называется автотрофным. Второй способ питания называется гетеротрофным.

Важнейшее свойство живого – это способность к размножению. Размножаются и одноклеточные и многоклеточные организмы. Результат при этом несколько разный. Одноклеточные организмы, практически, бессмертны, так как потомство, которое они образуют, является их полным повторением. Только внешние причины могут вызвать гибель одноклеточной инфузории или амебы.

Для многоклеточных организмов характерны разные пути размножения. При бесполом размножении потомство полностью повторяет наследственные признаки родителя. При половом размножении образуются особые половые клетки, которые, сливаясь, дают новое потомство.

Бесполое размножение осуществляется либо с помощью вегетативных органов, либо с помощью специальных клеток – спор. Родитель в этом случае один.

Половое размножение осуществляется с помощью специализированных клеток – гамет. Слияние гамет называется оплодотворением. В результате оплодотворения образуется зигота. Из зиготы развивается зародыш.

Размножение – это начало нового этапа роста и развития организмов. Рост – это, прежде всего, увеличение размеров организмов. Рост может быть ограничен размерами и временем, как это происходит у животных.

У растений рост ограничен временем их существования. Их девиз: «Пока живу, буду расти». Например, американские секвойи растут и живут приблизительно 3000 лет, а баобабы – 5000 лет.

Рост животных ограничен временем роста. Например, человек растет до 25 лет, а собака вырастает до максимальных размеров за 2 года. Но и в том и в другом случае рост не ограничивает времени существования, хотя и в значительной мере с ним связан.

Рост многоклеточных организмов сопровождается развитием. Чем сложнее устроены организмы, тем сложнее их развитие. Усложнение процессов развития выражается, прежде всего, в дифференцировке.

Под дифференцировкой понимают процессы образования из одной зародышевой клетки клеток разных типов.

У высших растений в результате дифференцировки возникают такие типы тканей как покровная, проводящая, запасающая, механическая.

У животных возникают четыре типа тканей: эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная, которые составляют органы и системы органов.

Способность адаптироваться к окружающей среде – это также важнейшее свойство живого, живые системы меняются по мере того, как меняется окружающая среда. Адаптация - это очень широкое понятие. Она затрагивает поведенческие реакции животных, а также морфологические и генетические особенности организмов. Взаимоотношения организма и окружающей среды весьма жесткие. Поиск ответа на вечный вопрос, «быть или не быть» – главная тема живой природы. Если организмы способны изменит свое поведение, форму, процессы жизнедеятельности и саму наследственность, то они выживут, а если нет, то их ждет гибель. История жизни на Земле не раз демонстрировала это.

Однако не все так жестоко! Ведь существуют же организмы, которые миллионы лет не меняли своего облика. Вопрос о том, каким образом они дожили до наших дней, не менее интересен, чем вопрос о происхождении человека от обезьяны. Например, история известного моллюска наутилуса, ближайшие родственники которого вымерли 450 миллионов лет назад, а он все еще бороздит воды тропических морей.

Механизмами адаптации занимаются очень многие биологические дисциплины:

· этология – наука о поведении животных,

· экология – наука о взаимоотношениях живых существ друг с другом и с окружающей средой,

· физиология – наука о функциях организма,

· сравнительная анатомия – наука об изменениях в строении тела,

· генетика – наука о механизмах наследственности и изменчивости.

Основной идеологической основой современной биологии является теория эволюции. Её основой является учение Чарльза Дарвина о движущих силах эволюции. Современная теория эволюции использует для доказательств существования этого процесса достижения различных биологических дисциплин, в том числе и самых современных, таких как молекулярная биология и генетика.

Теория эволюции – это каркас, на котором базируется современная биология, а фундаментом современной биологии является клеточная теория.

2. Специфическая организация.

Итак, первым и наиболее характерным свойством живых систем является специфическая организация.

Организация живой материи подчиняется строгой иерархии. Это означает, что существует несколько уровней организации, которые обеспечивают конечный результат – жизнь и выживание в определенных условиях.

В основе организации живых систем лежат особые молекулярные механизмы. Эти химические процессы гораздо сложнее, чем в неживой природе. Большинство биологических молекул – это полимеры. Наиболее сложно организованы молекулы белков. Они составляют основу жизни. Не меньшее значение имеют нуклеиновые кислоты, в которых записана информация о строении белков.

Первый уровень организации живой материи называется молекулярным или субклеточным.

Однако сами по себе молекулы жизненными свойствами не обладают. Они проявляют их лишь в клетках. Клетки – вот атомы жизни. Все, что проще клетки – это неживое. Даже вирусы, которые называют неклеточными формами жизни, осуществляют свою жизнедеятельность лишь внутри клеток.

Клетка – это элементарная единица живого. Второй уровень организации живого – клеточный.

Клетка может обладать всеми жизненными свойствами, Так, например, организованы одноклеточные организмы.

Однако организация живой системы может быть и гораздо сложнее. Для более эффективного выполнения жизненных функций клетки объединяются в ткани, а ткани составляют органы. Из органов состоят системы органов. Все эти ступени объединения клеток составляют организм. Они являются предметом изучения таких дисциплин как гистология (наука о тканях), анатомия (наука о строении органов и систем органов), физиология (наука о функционировании организма и его систем).

Третий уровень организации живой природы – это организменный уровень. Его единицей являются особи.

Особи существуют в окружающем мире. Особи, сходные по строению тела, образу жизни, наследственным особенностям составляют надорганизменный уровень организации. Иногда этот уровень развит так, что одна особь просто не может самостоятельно существовать, а является неотъемлемой частью общества организмов. Вспомните общественных насекомых – пчел, муравьев, термитов, где каждая особь – это, так сказать, «винтик» общественного механизма со своими функциями.

Четвертый уровень организации живого называется популяционно-видовым.

Однако популяции и виды взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие, а также взаимодействие с неживыми объектами, происходит в рамках экологических систем. Величина экологических систем сильно варьирует от капли воды до мирового океана. Природные, устойчивые экосистемы называются биогеоценозами.

Уровень организации живой материи, где взаимодействие происходит в экосистемах, называется биоценологическим или экосистемным.

Экосистемы объединяются в единую систему Земли, называемую биосферой.

Биосфера – это оболочка Земного шара пригодная для жизни. Высший уровень организации живой материи называется биосферным.

Этими тремя последними уровнями организации живой материи являются объектом изучения многих биологических дисциплин.

Популяциями и видами занимаются популяционная генетика, экология, этология.

Сообществами организмов, экосистемами и биосферой в целом занимается наука экология.

3.Методы изучения клетки. Клеточная теория.

Эту лекцию мы посвящаем клетке, так как именно она является атомом жизни. Матиас Шлейден, Теодор Шванн и Рудольф Вирхов сформулировали в 19 веке основные положения клеточной теории.

Это удалось сделать, благодаря развитию методов изучения клетки и, прежде всего, микроскопии. Развитие световой микроскопии связано с развитием цитохимических методов окрашивания. Возникли методы контрастной микроскопии. К середине ХХ столетия разрешающая способность светового микроскопа достигла предела увеличения в 1000 раз.

В двадцатом веке световую микроскопию дополнила электронная микроскопия, и мир узнал многие новые детали строения клетки.

Электронный микроскоп не позволял увидеть объекты живыми, так как пучок электронов убивал клетки.

Для изучения функций различных частей клеток пришлось применить косвенные методы, названные физико-химическими. Это такие методы, как метод меченых атомов, метод дифференциального центрифугирования, электрофорез и многие другие. Многие клеточные структуры раскрыли ученым тайны своего функционирования.

Однако и здесь человечество ожидало некоторое разочарование. Оказалось, что многие клеточные структуры ведут себя в пробирках или, так сказать «в стекле» не так как в живых клетках.

И все же сейчас о клетках мы знаем гораздо больше, чем во времена создания клеточной теории.

Клеточная теория продолжает оставаться главнейшей биологической теорией.

В современном изложении, ее основные положения таковы.

1. Клетка – элементарная единица живого, основа строения живых систем.

2. Новые клетки возникают только из родительских клеток. В настоящее время неизвестно ни одного случая зарождения живой клетки из неживой материи.

3. Строение и химический состав клеток во многом одинаков для всех организмов. Различия в химическом составе не принципиальны.

4. Многоклеточные организмы развиваются из одной клетки. Все ткани, органы и системы органов являются результатом такого развития, называемого онтогенез.

5. Клетки имеют единое эволюционное происхождение. Они прошли длинный путь развития от одноклеточных безъядерных организмов к сложнейшим ядерным организмам, состоящим из миллиардов клеток.

4. Неорганические вещества клеток и вода.

В состав живых организмов входит большая часть таблицы Менделеева, около 80 элементов. Но только 27 из них выполняют определенные функции. Поэтому обычно элементы, входящие в состав клеток разделяют на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

К макроэлементам относится, прежде всего, углерод, кислород, водород и азот. Эти элементы – основа жизни, Их концентрация в клетке составляет до 98%. Хотя концентрации серы, фосфора, хлора, железа гораздо меньше, эти элементы, а также кальций, магний, натрий и калий, относят к разряду макроэлементов.

Роль микроэлементов скромнее, так как они встречаются в очень малых концентрациях. Это такие элементы как бор, медь, молибден, кобальт, йод и некоторые другие. Но и без них клетки нормально функционировать не могут.

Что же касается третьей группы, которую называют ультрамикроэлементами, то их роль в функционировании клеток не совсем ясна. Они встречаются в клетках, буквально, в следовых количествах.

Многие элементы представлены в клетках в виде ионов. Это и не удивительно ведь в клетках много воды. Наиболее важными катионами, то есть положительно заряженными ионами, являются калий, натрий, кальций, магний, железо. Среди отрицательно заряженных ионов, анионов, наиболее важное место занимают хлор, а также остатки фосфорной и угольной кислот.

От концентрации анионов и катионов зависит химические особенности внутренней среды клетки.

Обычно среда в клетке – слабощелочная. Однако бывают и исключения. Умение сохранять постоянство химической среды клетки просто необходимо, так как белки-ферменты работают при определенных параметрах химической среды.

Вещества, входящие в состав клеток относятся к группам органических и неорганических веществ.

Среди неорганических веществ, пожалуй, самым удивительным является простая вода. Свойства воды просто уникальны. Вода во всем является исключением из правил, которые устанавливает периодический закон. Исходя из таблицы Менделеева, вода, при обычной температуре и давлении, должна быть… газом. Температура кипения и замерзания воды должны быть ниже, известных 100 и 0 градусов Цельсия, а лед должен быть тяжелее воды. Самое любопытное, что жизнь на Земле базируется как раз на этих странных, с точки зрения таблицы Менделеева свойств воды.

В природе, однако, чудес не бывает. Свойства воды вполне объясняет современная наука. Молекулы воды образуют межмолекулярные водородные связи. Именно этими связями и объясняются аномальные свойства воды.

Водородные связи играют в биологии важную роль. Многие свойства живых систем связаны именно с этими «слабыми», как их называют химики, взаимодействиями. Способность веществ растворятся или не растворятся в воде, также связана со способностью этих веществ, разорвать эти связи.

Вещества, нерастворимые в воде называются гидрофобными, а вещества, растворимые в воде – гидрофильными.

В клетках вода выполняет следующие функции.

1. Вода является универсальным растворителем.

2. Большая теплоемкость воды обеспечивает стабильность живых систем.

3. Большая теплота плавления обеспечивает организмам выживание при достаточно низких температурах.

4. Вода – активный участник химических процессов в клетке.

5.Органические вещества. Углеводы и жиры.

При всей важности неорганических веществ, в клетках главные функции выполняют органические вещества. Важнейшими в функциональном отношении являются углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты.

Начнем наш рассказ с углеводов. Эти вещества в химическом отношении разделяются на два класса – монозы или моносахариды и полиозы или полисахариды.

Среди моноз наибольшее значение имеют пятиатомные сахара пентозы и шестиатомные сахара гексозы. К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза – сахара, входящие в состав соответственно РНК и ДНК. Гексозы играют важнейшую роль в энергетическом обмене веществ и, прежде всего, глюкоза.

Полисахариды бывают первого и второго порядка. К полисахаридам первого порядка относят дисахариды и трисахариды. Важнейшими из них сахароза, лактоза, мальтоза.

К полисахаридам второго порядка относятся молекулы, имеющие молекулярную массу несколько миллионов дальтон. Наиболее важными из них являются крахмал и его аналог животного происхождения – гликоген.

Основными биологическими функциями углеводов являются.

1. Энергетическая функция – углеводы важнейший источник энергии для организма.

2. Структурная функция. Углеводы входят в состав клеток и клеточных образований.

3. Запасающая функция. Многие живые существа запасают питательные вещества в виде крахмала и гликогена.

4. Защитная функция. Слизи, которые выделяют железы, богаты углеводами и их химическими производными.

Жиры и жироподобные вещества играют также важную роль в клетках. Жиры – это соединения жирных кислот и глицерина. Среди жироподобных веществ или липоидов наибольшее значение имеют гликолипиды, липопротеины, фосфолипиды.

Функции жиров в живых системах следующие.

1. Структурная функция. Жиры принимают участие в построении мембран клеток всех тканей и органов. Участвуют в образовании биосоединений.

2. Энергетическая функция. Жиры обеспечивают 25 – 30% всей энергии необходимой клетке.

3. Запасающая функция. В виде жира запасают энергию многие живые существа. Иногда жиры называют «энергетическими консервами».

4. Функция терморегуляции, Жиры плохо проводят тепло и этим способствуют сохранению температуры тела.

5. Регуляторная функция. Многие жиры являются предшественниками и входят в состав гормонов.

6..Строение белков.

Среди органических соединений белки играют особую роль, так как очень многие жизненные свойства организмов определяют именно эти химические вещества.

С химической точки зрения, белки – это нерегулярные полимеры. Они состоят из 20 разновидностей аминокислот, причем, эти мономеры могут соединяться в любом порядке. Расчеты показывают, что для белка, построенного из 20 аминокислот и содержащего всего 100 аминокислотных остатков, число вариантов будет десять в сто тридцатой степени. А ведь есть молекулы белков значительно длиннее.

Аминокислоты в белках соединяются с помощью так называемых пептидных связей. Поэтому белки часто называют полипептидами.

В результате исследований было показано, что структура белковых молекул очень строго организована.

Последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями называется первичной структурой белка. Первичная структура лежит в основе всей организации белковой молекулы.

Вторичная структура белка – это спираль, образуемая водородными связями. Белки, имеющие преимущественно вторичную структуру называются фибриллярными.

Третичная структура белка – это клубочек или глобула. Он образуется под воздействием межмолекулярных гидрофобных связей. Белки, имеющие третичную структуру, называются глобулярными.

Для большинства белков глобулярная структура – это высшая степень организации. Однако есть еще и четвертичная структура. Белки, имеющие такие структуры, состоят из нескольких субъединиц, объединенных общей функцией. Пример такой структуры – гемоглобин, состоящий из четырех субъединиц.

Белки в организме выполняют различные функции.

1. Важнейшей функцией белков является каталитическая функция. Значительная часть известных науке белков являются ферментами.

2. Белки-гормоны являются регуляторами физиологических процессов.

3. Белки выполняют транспортную функцию, переносят различные вещества из одной части организма в другую.

4. Защитная функция белков выражается, прежде всего, в том, что антитела представляют собой белки.

5. Строительная функция белков выражается в участии их в создании многих клеточных структур.

6. Часть белков выполняют сократительные функции.

7. В редких случаях белки могут быть использованы клеткой в качестве источников энергии.

7. Нуклеиновые кислоты.

Четвертый класс органических веществ – это нуклеиновые кислоты.

С точки зрения химии нуклеиновые кислоты – нерегулярные полимеры, состоящие из довольно сложно устроенных мономеров, называемых нуклеотидами.

Нуклеиновых кислот в клетках встречается два класса – ДНК и РНК. ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, а РНК – рибонуклеиновая кислота.

Структура ДНК очень сложна и своеобразна. Каждый нуклеотид, из которого состоит ДНК, состоит из остатков сахара дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. Азотистых оснований четыре разновидности: аденин, гуанин, цитозин, и тимин. Нуклеотиды соединены в длинные цепи с помощью фосфорно-диэфирных связей.

В 1953 году исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили модель, которая объясняла строение молекулы ДНК. Согласно их теории ДНК состоит из двух спиральных цепей, соединенных водородными связями. Эти связи соединяют цепи ДНК не случайным образом, а по принципу комплементарности или соответствия. Суть этого принципа в следующем, если в одной цепи стоит тимин, то в противоположной цепи, ему соответствует аденин, а против гуанина всегда стоит цитозин. Это значит, что при удвоении ДНК на каждой из её цепей может быть достроена другая, и вместо одной молекулы получатся сразу две.

Принцип комплементарности лежит в основе всех процессов связанных с реализацией генетической информации: репликации ДНК, транскрипции, и трансляции.

Процесс репликации или редупликации ДНК иначе можно назвать удвоением. Он происходит перед делением клетки. Осуществляет его специальный фермент ДНК полимераза. Этот фермент разделяет две цепи двойной спирали и достраивает к каждой из них комплементарную ей цепь. Таким образом, из одной молекулы образуется две одинаковые дочерние молекулы. Процесс этот идет с очень высокой точностью – ошибки крайне редки.

Помимо ДНК в клетках встречаются три разновидности РНК: информационные (и-РНК), транспортные (т-РНК) и рибосомные (р-РНК). Все они отличаются от ДНК рядом особенностей. Во-первых, вместо азотистого основания тимина они содержат урацил. Во-вторых, вместо сахара дезоксирибозы они содержат рибозу. В-третьих, они, как правило, односпиральные.

2.ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКАХ.

1. Основные стадии обмена веществ.

Химические реакции, протекающие в живых клетках, называют метаболизмом или обменом веществ. Можно выделить пять основных функций обмена веществ.

1. Извлечение из окружающей среды энергии.

2. Превращение пищевых веществ в строительные блоки – предшественники молекулярных компонентов клеток.

3. Сборка органических макромолекул из этих блоков.

4. Синтез и разрушение тех молекул, которые необходимы для выполнения функций клетки.

5. Энергетическое обеспечение всех процессов жизнедеятельности.

Реакции синтеза веществ составляют пластический обмен, а реакции расщепления – энергетический обмен.

И энергетический и пластический обмен проходят три стадии.

На первой стадии энергетического обмена происходит расщепление пищевых веществ на строительные блоки – аминокислоты, нуклеотиды, простые сахара, глицерин и жирные кислоты.

На второй стадии эти строительные блоки превращаются в менее разнообразный набор промежуточных соединений.

И, наконец, на третьей стадии эти промежуточные соединения окисляются до углекислого газа и воды.

Пластический обмен также проходит в три стадии. На первой стадии из низкомолекулярных соединений образуются промежуточные соединения. На второй стадии из промежуточных соединений образуются строительные блоки. И, наконец, на третьей стадии из строительных блоков образуются макромолекулы.

Ключевую роль в процессах превращения и расходования энергии играют молекулы АТФ (аденозинтрифосфат). Энергия, заключенная в этих молекулах, благодаря особенностям их химического строения, используется на осуществление, практически, всех функций клетки.

2. Основные стадии энергетического обмена.

Рассмотрим основные стадии энергетического обмена веществ на примере крахмала и глюкозы. Это вполне оправданно, так как путь окисления глюкозы является основным путем энергетического обмена.

Первый этап подготовительный. У одноклеточных организмов он проходит в пищеварительных вакуолях, а у многоклеточных животных – в пищеварительном тракте. Его суть заключается в гидролизе высокомолекулярных соединений до мономеров. При этом крахмал распадается на мономеры, то есть глюкозу.

Второй этап происходит в матриксе цитоплазмы. Это бескислородный этап энергетического обмена, называемый гликолиз. Он заканчивается образованием пировиноградной кислоты. У некоторых организмов, главным образом, бактерий пировиноградная кислота превращается либо в этиловый спирт, либо в молочную кислоту. И на этом извлечение энергии заканчивается. Такой тип энергетического обмена малоэффективен, в результате молочнокислого и спиртового брожения образуется всего 2 молекулы АТФ.

У абсолютного большинства организмов пировиноградная кислота вовлекается в сеть реакций так называемого цикла лимонной кислоты и дыхательной цепи. Эти процессы происходят у эукариотических организмов в митохондриях. Они гораздо эффективнее в плане накопления энергии, чем процесс гликолиза. В результате этого этапа расщепления глюкозы образуется углекислый газ и вода. Энергетическая ценность этих процессов – 36 молекул АТФ, то есть в 18 раз выше, чем у гликолиза. Столь высокая эффективность объясняется участием на последнем этапе окисления такого сильного окислителя, как кислород.

Таким образом, в результате реакций расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

3. Стадии пластического обмена. Фотосинтез.

Первый этап пластического обмена происходит у организмов, способных к фотосинтезу. Процесс превращения неорганических веществ в органические, происходящий с использованием энергии солнечного света, называется фотосинтезом. Фотосинтез во многом противоположен дыханию, так как здесь из углекислого газа и воды образуется глюкоза. Этот процесс протекает, главным образом, в хлоропластах растений.

Фотосинтез проходит в две фазы. Первая фаза проходит на свету. Она включает три процесса: фотолиз воды, фотофосфорилирование, восстановление вещества НАДФ+ до НАДФ.Н2.

Фотолиз воды – это процесс разложения воды с образованием молекулярного кислорода. Именно этот кислород используется организмами, живущими на нашей планете для дыхания.

Фотофосфорилирование – это процесс превращения АДФ в АТФ, происходящий под действием энергии света. Такой же процесс происходит и при дыхании, но там используется химическая энергия.

Восстановление НАДФ+ - это процесс связывания молекулярного водорода, который высвобождается при фотолизе воды. Энергия, накапливаемая таким способом, идет затем на процессы темновой фазы фотосинтеза.

Вторая фаза фотосинтеза в свете не нуждается и поэтому называется темновой. Это ряд ферментативных реакций, в результате которых богатые энергией вещества (АТФ и НАДФ Н2), отдают её углекислому газу, который постепенно превращается в глюкозу и крахмал.

3. РЕАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

1.Основная догма молекулярной биологии. Транскрипция.

Примером третьей стадии пластического обмена веществ является биосинтез белков.

После открытия структуры ДНК начала развиваться особая отрасль биологии – молекулярная биология. К середине 60-х годов ХХ века был сформулирован основной принцип молекулярной биологии, который выражается в формуле ДНК® РНК®белок. Это значит, что на матрицах ДНК синтезируются молекулы информационной РНК, а с молекул информационной РНК считывается информация о белке.

Ген – это участок ДНК или РНК, на котором записана последовательность одного белка.

Процесс синтеза информационной РНК называется транскрипцией. Процесс образования белков на матрицах информационной РНК называется трансляцией.

Транскрипцию осуществляет фермент РНК-полимераза. Этот фермент соединяет между собой рибонуклеотиды, составляющие остов молекулы РНК. Делает это фермент на основании считывания последовательности молекулы ДНК и, достраивая комплементарные ей последовательности. Показано, что в этом процессе только одна из двух цепей ДНК играет роль матрицы. Бывают, правда, и исключения – это ДНК некоторых вирусов.

2.Генетический код.

Следующий этап биосинтеза белка – трансляция – происходит на особых органоидах – рибосомах. Здесь возникает проблема генетического кода, так как в белке 20 аминокислот, а в нуклеиновых кислотах всего 4 нуклеотида.

Природа генетического кода была определена к началу 60-х годов ХХ века. Код обладает рядом особенностей.

1. Код триплетный, то есть каждой аминокислоте в белке соответствуют три нуклеотида. Эта тройка называется триплетом или кодоном.

2. Код вырожденный. Вариантов триплетов 64, а аминокислот всего 20. Значит, некоторым аминокислотам в белках соответствует не один, а несколько кодонов.

3. Код неперекрывающийся и не имеет запятых. Иными словами два триплета, кодирующие соседние аминокислоты в белке в ДНК и РНК идут друг за другом, и между ними нет вставок.

4. Генетический код является универсальным для всей живой природы.

3. Трансляция.

Процесс трансляции происходит на рибосомах. Посредником между информационной РНК и аминокислотами, которые не имеют химического сродства, являются особые молекулы – транспортные РНК. Они устроены таким образом, что имеют разные концы, имеющие сродство и с РНК и с аминокислотами. Поскольку значащих аминокислот в генетическом коде 61, то и транспортных РНК столько же разновидностей. Три кодона УАА, УГА и АУГ называются бессмысленными. Они стоят на концах генов и указывают на окончание считывания.

Для соединения аминокислот с транспортными РНК служит особый фермент тРНК синтетаза или, точнее, амино-ацил - тРНК синтетаза.

Таким образом, для нормального протекания трансляции необходимы следующие компоненты: информационная РНК, транспортные РНК, свободные аминокислоты, рибосомы, тРНК синтетаза, белковые факторы и АТФ.

Процессы транскрипции и трансляции у безъядерных и ядерных организмов протекают по-разному. У безъядерных организмов эти процессы протекают одновременно. Рибосомы во время трансляции двигаются по РНК как бусины по нитке. У ядерных организмов рибосомы, напротив, неподвижны, так как прикреплены к мембранам. Кроме того, процессы транскрипции и трансляции разорваны во времени и пространстве. Эти, на первый взгляд незначительные различия играют важную роль в регуляции активности генов.

4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ. ОСОБЕННОСТИ КЛЕТОК ЖИВОТНЫХ, РАСТЕНИЙ, ГРИБОВ, БАКТЕРИЙ. ВИРУСЫ.

1. Строение клетки. Клеточная мембрана.

Клетка – это целый мир. Её устройство достаточно сложно. Кроме того, говоря о клетках, мы можем иметь в виду клетки разных организмов, тканей органов. Таким образом, каждая разновидность клетки имеет свои неповторимые особенности. Давайте постараемся выбрать из этого разнообразия те черты и особенности, которые объединяют клетки разных типов. Идеальная клетка состоит из трех частей: ядра, цитоплазмы, клеточной мембраны.

Начнем разговор о строении клетки с клеточной мембраны. Строение мембраны во многом остается загадочным. Известно, что главное её свойство – это избирательная проницаемость. Но чем она обеспечивается?

Еще в 30-х годах ХХ века была выдвинута гипотеза, названная по имени её авторов моделью Давсона – Данеэли. По этой модели в основе мембраны лежит двойной гидрофобный слой жиров. Этот слой окружен двумя слоями белков.

Однако к началу 70-х годов накопились данные, противоречащие этой гипотезе. В результате была выдвинута модель, получившая название модели Сингера – Николсона. Это модель динамической мембраны. В основе этой модели все тот же двойной слой жиров, но белки, согласно этой модели подвижные острова в море жиров. Белки образуют гидрофильные каналы или поры, через которые могут проникать в клетки вещества. Этим и объясняется полупроницаемость мембраны

Способов проникновения в клетку веществ через мембрану несколько. Прежде всего, это пассивная диффузия. Диффузия – это движение веществ в сторону их меньшей концентрации. Диффузия воды через полупроницаемую мембрану называется осмосом. При этом на мембрану раствор большей концентрации оказывает давление, называемой осмотическим давлением. Если внешнее осмотическое давление слишком велико, клетка как бы сморщивается, а если, напротив, слишком мало, то она как бы разрывается изнутри. Например, эритроциты – красные клетки крови – можно сохранить только в физиологическом растворе, концентрация которого составляет 0,9 % хлорида натрия, причем, и не больше и не меньше.

Еще одним способом проникновения веществ через клеточную мембрану является активный транспорт. Этот способ сопряжен с затратами энергии. Яркий пример действия активного транспорта – это, так называемый, натриево-калиевый насос. Благодаря этому механизму, в клетку свободно проникают ионы калия, а ионы натрия остаются на поверхности клетки. Это механизм важен для проведения нервного импульса. Не вдаваясь в детали, отметим, что из-за разницы в способности этих ионов проникать в клетку возникает, так называемый, потенциал покоя, который во время проведения нервного импульса превращается в потенциал действия, а иными словами, электрический ток.

Клеточная мембрана – это ворота клетки, а за этими воротами начинаются цитоплазма и ядро.

2. Ядро. Отличия ядерных и безъядерных организмов.

Ядро – генеральный штаб клетки. Здесь сосредоточена большая часть наследственной информации. Ядро отделено от цитоплазмы ядерной мембраной, которая также обладает избирательной проницаемостью. Внутри ядро заполнено ядерным соком, в котором находится хроматин. Хроматин – это комплекс нуклеиновых кислот и белков. Белкам в этом комплексе отводится, на первый взгляд, второстепенная роль, так как наследственная информация сосредоточена, главным образом, в ДНК клеток. Однако, по-видимому, белки играют роль регуляторов активности генов в клетках. Во время деления клетки ДНК упаковывается с помощью белков в хромосомы. В таком виде она передается от материнской клетки к дочерним клеткам. Число хромосом строго видоспецифично, например, у человека их 46, а у плодовой мушки – 8.

В клетках, где активно синтезируются белки, наблюдается еще одно образование – ядрышко. Это образование место активного синтеза РНК.

Наиболее принципиально различаются клетки ядерных или эукариотических организмов с клетками безъядерных или прокариотических организмов. Главные отличия состоят в следующем.

1. Прокариотические клетки не имеют ядра. В цитоплазме имеется ядерная область, где находится кольцевая ДНК.

2. У бактерий и других прокариотических организмов отсутствуют многие органоиды – эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, митохондрии, лизосомы и другие.

3. Рибосомы у прокариотических организмов меньших размеров и как бы свободно плавают в цитоплазме. Это, как подчеркивалось выше, имеет весьма принципиальное значение при протекании процесса биосинтеза белка.

4. В клетках фотосинтезирующих бактерий нет пластид. Их роль выполняет клеточная мембрана.

5. Клеточная мембрана играет также важную роль и в половом процессе бактерий.

Все эти отличия не позволили безъядерным организмам увеличить размеры клетки. Не создали безъядерные организмы и многоклеточных форм.

Отличия между клетками многоклеточных и одноклеточных ядерных организмов также весьма существенны. Клетка одноклеточного организма по строению сложнее любой отдельно взятой клетки многоклеточного

Схема строения клетки.

Клетка

ядро цитоплазма клеточная мембрана

3. Цитоплазма.

Цитоплазма – это часть клетки, лежащая между клеточной и ядерной мембранами. Она состоит из основного вещества, называемого цитозолем или матриксом и органоидов или органелл.

Цитозоль – это активное вещество цитоплазмы, где хранятся многие вещества и протекают многие процессы обмена веществ, в частности, гликолиз.

Среди органоидов следует отметить эндоплазматическую сеть, комплекс Гольджи, митохондрии, лизосомы, рибосомы. Каждый органоид выполняет определенные функции в клетке.

Эндоплазматическая сеть пронизывает всю клетку. Она представляет собой систему мембран и расширений, называемых цистернами. Эта сеть бывает двух типов гладкая и шероховатая. Гладкая эндоплазматическая сеть – это место синтеза жиров и углеводов, а также путь, по которому они транспортируются в разные части клетки. Шероховатая сеть – это место синтеза и транспорта белков. Здесь расположены важные органоиды клетки – рибосомы.

Рибосомы – это органоиды, которые служат местом синтеза белков. Фактически, они представляют собой сложнейший ферментный комплекс. Опыты показали, что рибосома состоит из двух неравных частей, называемых субъединицами – большой и малой. Каждая из этих частей в свою очередь состоит из десятков белков и рибосомной РНК. Именно на рибосомах происходит процесс трансляции.

Органоид, называемый комплекс Гольджи, различим во многих клетках даже в световой микроскоп. Он был открыт в конце 19 века. Долгое время его назначение было загадкой. Но теперь известно, что это центр выделения клетки. В частности здесь образуется важнейший компонент слизи – муцин.

Еще одна органелла – лизосома – весьма важна для нормального функционирования клетки. Лизосомы – это мембранные мешочки, которые содержат ферменты, расщепляющие сложные органические вещества. Внутриклеточное пищеварение – вот смысл существования лизосом.

Наконец, следует отметить митохондрии, которые имеются, практически, во всех клетках ядерных организмов, дышащих кислородом. Митохондрии – это центр окислительно-восстановительных клеточных реакций, идущих с участием кислорода. Митохондрии содержат ферменты, обеспечивающие протекание реакций цикла лимонной кислоты и дыхательной цепи. Чем активнее клетка нуждается в энергии, тем больше митохондрий она содержит. В мышечных волокнах этих органоидов может быть более тысячи штук. Результатом работы митохондрий является накопление энергии в виде молекул АТФ. Митохондрии имеются как в животных, так и в растительных клетках, так как растения тоже дышат. Нет их только в клетках бактерий, но там процессы дыхания протекают непосредственно в матриксе цитоплазмы.

Существует гипотеза, согласно которой митохондрии когда-то были самостоятельными организмами, а затем образовали симбиоз с некоторыми клетками, имеющими ядро. Эта гипотеза подтверждается некоторыми особенностями строения митохондрий. Во-первых, митохондрии имеют собственную кольцевую ДНК, которая по строению напоминает ДНК бактерий. Во-вторых, митохондрии имеют собственные рибосомы, имеющие меньшие размеры, чем рибосомы эндоплазматической сети. В-третьих, показано, что в ДНК митохондрий имеются некоторые отклонения от обычного генетического кода. В-четвертых, митохондрии на 70% обеспечивают себя собственными белками.

В матриксе цитоплазмы содержатся также сократительные элементы, которые обеспечивают движение клеток. Особенно ярко они выражены в клетках мышц.

Все вышеперечисленные детали строения клетки относятся, прежде всего, к клеткам животных. Клетки представителей других царств имеют много общего с той идеализированной моделью клетки, о которой шла речь выше. Однако есть и глубокие различия.

4.Особенности растительных клеток.

Существуют серьезные различия между животными и растительными клетками. Эти различия связаны с образом жизни и питания этих групп живых существ.

1. Растительные клетки имеют помимо клеточной мембраны довольно жесткую клеточную стенку, состоящую из целлюлозы. Она обеспечивает механическую прочность растению, защищает его от повреждений. Клеточные стенки проводящей системы приспособлены для дальнего транспорта веществ по растению. У некоторых растений клеточные стенки приспособлены для хранения питательных веществ.

2. В клетках растений значительное место занимают такие органоиды как вакуоли. Вакуоль – это заполненный жидкость мембранный мешок, стенка которого состоит из однослойной мембраны. В клетках растений вакуоли занимают порой почти все пространство клетки. Отсюда и весьма разнообразные функции этих органелл. Иногда они хранят питательные вещества, иногда гидролитические ферменты, то есть берут на себя роль лизосом.

3. Наконец, надо отметить самые характерные именно для растительных клеток органоиды – пластиды. Выделяют три класса пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.

· Хлоропласты – зеленые пластиды, так как содержат зеленый пигмент хлорофилл. Здесь происходит фотосинтез.

· Хромопласты – это нефотосинтезирующие окрашенные пластиды, в которых не происходит процесс фотосинтеза. Они содержат пигменты каратиноиды, главным образом, красного, оранжевого и желтого цвета. Этих органелл больше всего в плодах и цветах растений.

· Лейкопласты – это бесцветные пластиды. Они приспособлены для хранения веществ и поэтому их особенно много в запасающих органах растений – корнях, семенах и молодых листьях.

Как и в отношении митохондрий существует гипотеза о симбиотическом происхождении растительных клеток. Любопытно, что пластиды могут превращаться друг в друга. Именно этим можно объяснить то, что листья желтеют осенью, а картофель зеленеет на свету.

5.Клетки грибов.

Грибы раньше относили к растениям, лукаво называя их бесхлорофильными растениями. Однако ни по способу питания, ни по строению клеточных структур грибы на растения не похожи.

Грибы питаются готовыми органическими веществами. Однако, как правило, это вещества уже погибших организмов. Грибы разлагают эти вещества и возвращают в круговорот, существующий в природе.

Пожалуй, главным отличием в химической структуре клеток грибов является то, что их клеточная стенка содержит не целлюлозу, а другой полисахарид – хитин, который встречается у животных, в частности у насекомых, но никогда не встречается у растений.

Да и строение самих клеток грибов значительно отличается от строения клеток растений или животных. Дело в том, что мицелий или, проще, грибница порой состоит из гигантских многоядерных клеток, разделенных произвольно перегородками на отдельные камеры – септы. Так что, выделив грибы в отдельное царство живой природы, ученые как бы подчеркнули всю их несхожесть с другими царствами живой природы.

Рассматривая строение и функции клеток, мы могли убедиться, что клетки – основа жизни. Несмотря на многие существенные различия, представителей растений, животных, грибов и даже бактерий роднит клеточное строение.

6.. Вирусы.

Однако в природе встречаются формы живых существ, которые не имеют клеточного строения. Речь идет о вирусах. Вирусы – это то исключение, которое как будто специально создано природой, чтобы подтвердить правило, что все живое состоит из клеток. Они были открыты в 1892 году отечественным ученым Дмитрием Иосифовичем Ивановским.

Вирусы состоят из белковой капсулы, называемой капсид и нуклеиновой кислоты ДНК или РНК. Капсид может быть довольно просто устроен, например, как у вируса табачной мозаики или напротив, может быть весьма сложен, как у вируса оспы.

Хотя сами вирусы клеточного строения не имеют, вся их жизнедеятельность протекает в клетке. Это указывает, по мнению ряда ученых на то, что вирусы возникли в результате упрощения примитивных клеточных форм.

Существует и другая гипотеза их происхождения. Согласно этой гипотезе, вирусы – древнейшие живые существа на нашей планете, которые лишь затем стали паразитами. На это указывает, по-видимому, их разнообразие.

Высказывается и третья точка зрения. Вирусы рассматриваются, как, так сказать, «одичавшие» гены. На это указывает несомненное сходство в поведении вирусов и подвижных генетических элементов.

Несомненно, что вирусы сыграли и продолжают играть важную роль в эволюции других живых существ. Это выражается в том, что вирусы являются мощным мутагенным фактором, а также в том, что геном вируса может включаться в геном хозяина. Вирусы могут передавать генетическую информацию не только от одной особи данного вида к другой, но и к особям других видов, что показано экспериментально.

Сколько их? Известно не так уж много. 200 форм животных вирусов, 170 – растительных вирусов и более 50 форм, паразитирующих на бактериях.

Вирусы разделяют на две большие группы: РНК-содержащие и ДНК-содержащие. А какое здесь разнообразие вариантов! Есть вирусы, содержащие односпиральную ДНК и состоящую из двух спиралей РНК.

Вирусы, содержащие РНК научились использовать её в качестве матрицы для производства копий ДНК. Это осуществляет у них особый фермент РНК-зависимая-ДНК-полимераза, обычно его называют обратная транскриптаза.

К группе однонитевых РНК-содержащих вирусов или так называемых ретровирусов относится вирус, вызывающий болезнь, названную чумой ХХ века. Это вирус, вызывающий СПИД. Любопытно, что ДНК-копии этих вирусов способны перемещаться, и внедрятся в разных местах ДНК хозяина.

Наиболее хорошо изучены ДНК-содержащие вирусы. Особенно группа бактериофагов, то есть вирусов, паразитирующих на бактериях. В своем развитии типичный бактериофаг проходит ряд стадий.

1. Вначале фаг прикрепляется к стенке клетки.

2. Затем происходит проникновение нуклеиновой кислоты внутрь клетки. Это происходит либо путем затягивания всей вирусной частицы внутрь клетки, либо путем впрыскивания нуклеиновой кислоты.

3. После этого нуклеиновая кислота вируса подчиняет себе клеточный белок - синтезирующий аппарат и начинает синтезировать белки, характерные для вируса. Далее происходит синтез вирусной нуклеиновой кислоты.

4. Развитие вируса продолжает самосборка вирусных частиц. После чего нуклеиновая кислота упаковывается в вирусные капсиды.

5. Наконец, развитие вируса завершается выходом вируса из клетки. Это происходит двумя способами и зависит от природы вируса. В первом случае происходит отпочковывание вирусных частиц без серьезного повреждения клетки. Второй путь – это полное разрушение клетки после накопления в ней вирусных частиц. Этот путь называется лизисом.

Так или иначе, клетки, пораженные вирусом, гибнут. Таким образом, вирусы – это паразиты на клеточном уровне.

Вирусы являются возбудителями многих опасных заболеваний человека и животных. Достаточно вспомнить лишь некоторые из них грипп, полиомиелит, оспа, различные формы тропических лихорадок и, наконец, уже упоминаемый ранее СПИД.

Изучение вирусов вносит неоценимый вклад в изучение клетки. На основе вирусов разработаны многие методики генной инженерии. Эти методы позволяют ученым глубже проникнуть в мир клеток.

Раздел 2. РАЗМНОЖЕНИЕ КЛЕТКИ И ОНТОГЕНЕЗ.

Содержание раздела.

1 Деление соматических клеток.

2.Половое размножение.

3.Онтогенез или индивидуальное развитие.

1. ДЕЛЕНИЕ СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК.

1. Клеточный цикл.

В жизни клетки наступает рано или поздно момент, когда она начинает делиться. Правда, некоторые клетки со временем утрачивают эту способность, в частности, клетки центральной нервной системы, но все же это исключение из правила.

Время существования клетки от окончания одного деления до начала нового деления называют клеточным циклом. Смысл клеточного деления состоит в равномерном распределении наследственного материала между двумя новыми клетками.

У прокариотических организмов – бактерий и цианобактерий – после удвоения, молекулы ДНК разносятся в разные участки клетки. Затем образуется клеточная перетяжка и каждая молекула ДНК, (кольцевая хромосома) оказывается в новой клетке.

У ядерных, эукариотических организмов сложился более сложный тип деления – митоз. В ряде случаев, главным образом, при раковом перерождении, клетка делится без образования хромосом. Такой тип деления называется амитоз. Для образования половых клеток существует особый процесс деления мейоз.

Митоз характерен для большинства эукариотических клеток. При этом процессе хроматин вначале упаковывается в хромосомы. В полном хромосомном наборе большинства эукариотических организмов каждая хромосома представлена дважды. Одна получена от отца, а другая – от матери. Стало быть, у человека 23 хромосомы получены от отца, а другие 23 – от матери. Хромосомы содержат гены. В данном случае, гены – это участки хромосом, отвечающие за какую-нибудь деталь строения тела, биохимический или физиологический процесс.

Сходные по строению и составу генов хромосомы называются гомологичными. Хромосомный набор, содержащий по две гомологичные хромосомы, называется диплоидным.

2. Митоз.

Период между делениями клетки называется интерфаза. Непосредственно делению клетки предшествует подготовительный период, во время которого происходит синтез белков и удвоение ДНК.

Процесс митоза проходит несколько фаз. Первая фаза митоза называется – профаза. На стадии профазы хромосомы в ядре становятся различимыми в световом микроскопе. Они вначале представляют собой тонкие двойные нити, которые постепенно укорачиваются и утолщаются. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые соединяются перетяжкой – центромерой.

Вторая стадия митоза называется метафаза. Хромосомы выстраиваются по экватору деления. В метафазе происходит удвоение центромеры. Это тем более важно, так как центромера – это часть хромосомы, которая контролирует её движение во время деления.

Третья стадия называется анафаза. На этой стадии центромеры отталкиваются, а хромосомы, ставшие дочерними хромосомами расходятся к полюсам деления. Движение это осуществляется с помощью веретена деления. Это нити, состоящие из сократительных белков. Они образуются из клеточного органоида, называемого клеточный центр.

Четвертая стадия называется телофаза. Дочерние хромосомы деспирализуются разбухают и постепенно становятся невидимыми. Каждый набор дочерних хромосом окружается ядерной мембраной и становится ядром дочерней клетки.

Биологический смысл митоза в том, что в результате этого процесса образуются две дочерние клетки с абсолютно идентичными наборами хромосом. Таким образом, генетическая информация передается от родительской клетки к дочерней.

Продолжительность митоза различна в различных тканях и клетках одного и того же организма и колеблется от 10 минут до нескольких часов.

2. ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ.

1. Мейоз.

Как уже упоминалось выше, существуют две основные формы размножения – бесполое и половое. При половом размножении образуются особые клетки – гаметы. Гаметы отличаются от клеток тела тем, что имеют гаплоидный, то есть половинный набор хромосом. Например, если в клетках тела человека содержится 46 хромосом, то в гаметах их всего – 23. Биологический смысл полового размножения состоит в создании новых комбинаций генов.

Гаметы образуются в процессе гаметогенеза. В основе этого процесса лежит особый способ деления мейоз. Мейоз – это способ деления, в результате которого число хромосом, свойственное клеткам тела, уменьшается вдвое.

Мейозу предшествует интерфаза, в результате которой количество ДНК в клетке возрастает вдвое. Каждая хромосома удваивается и состоит из двух хроматид. Хроматиды впоследствии станут сестринскими хромосомами.

Мейоз состоит из двух последовательных делений. Чтобы отличить первое деление от второго, фазы первого деления обозначают цифрой 1, а второго деления цифрой 2. Таким образом, первое деление мейоза состоит из профазы 1, метафазы 1, анафазы 1 и телофазы 1.

Профаза 1 очень сложна и состоит из ряда последовательных стадий подготовки хромосом к делению. Во время профазы 1 происходит синапсис гомологичных хромосом. Результатом этого процесса является обмен участками между гомологичными хромосомами, называемый перекрестом или кроссинговером. При этом гомологичные хромосомы образуют так называемые тетрады, когда обмен идет фактически между 4 хромосомами.

В метафазе 1 хромосомы выстраиваются по экватору. При этом расположение материнских и отцовских хромосом гомологичных пар и по отношению к полюсам деления часто случайно и не зависит от положения других пар.

В анафазе 1 гомологичные хромосомы отделяются друг от друга и расходятся к противоположным полюсам. Каждая хромосома на этой стадии состоит из двух дочерних хроматид. Причем, направление движения каждой гомологичной пары не зависит от направления других. Это способствует комбинированию хромосом отцовского и материнского наборов.

Телофаза 1 завершает первый эта мейоза. Образовавшиеся ненадолго дочерние ядра несут гаплоидный набор хромосом. При этом каждая хромосома все ещё состоит из двух хроматид. Сущность второго деления мейоза, как раз и состоит, в разделении этих хроматид.

В промежутке между первым и вторым делением мейоза, называемом интеркиназом, удвоения ДНК не происходит. После очень короткой профазы 2 наступает метафаза 2, где хромосомы выстраиваются по экватору. Они представляют собой гаплоидный набор хромосом, но все ещё состоят из двух сестринских хроматид. В анафазе 2 происходит разделение сестринских хроматид и они, наконец, становятся отдельными хромосомами. Эти хромосомы расходятся к полюсам деления. Второе деление мейоза завершается образованием гаплоидных ядер и половых клеток гамет.

Таким образом, в процессе мейоза происходит редукция хромосомного набора. Этот процесс необходим для того, чтобы при оплодотворении и слиянии гамет происходило восстановление исходного набора хромосом, характерного для клеток тела. Мейоз обеспечивает также расширение спектра комбинативной изменчивости.

2. Гаметогенез у животных.

Мейоз, как уже подчеркивалось, является составной частью процесса гаметогенеза. Рассмотрим теперь особенности гаметогенеза и оплодотворения у растений и животных.

У многоклеточных животных гаметогенез проходит три стадии. На первой стадии происходит митотическое деление предшественников гамет. На второй стадии происходит мейоз. Третья стадия состоит в формировании половых клеток сперматозоидов и яйцеклеток. На этой стадии, у яйцеклеток формируются зародышевые оболочки, а у сперматозоидов – жгутики.

Процесс формирования сперматозоидов называется сперматогенезом, а процесс формирования яйцеклеток – овогенезом.

Образование гамет связано с процессом оплодотворения. Оплодотворение – это слияние мужской и женской гамет. Этот процесс состоит из двух стадий. На первой стадии, которая называется сингамия, происходит слияние клеток. На второй стадии, называемой кариогамия, происходит слияние ядер. В результате образуется клетка зигота, из которой развивается новый организм.

В процессе оплодотворения осуществляются следующие важные генетические явления, необходимые для нормального существования вида. Во-первых, происходит восстановление двойного, то есть диплоидного набора хромосом. Во-вторых, этот процесс обеспечивает материальную непрерывность межу поколениями, следующими друг за другом. В-третьих, происходит объединение в одном индивидууме наследственных свойств и отцовского и материнского организмов.

У животных оплодотворение проходит ряд фаз. 1. Проникновение сперматозоида в яйцеклетку. 2. Подготовка слияния сперматозоида с ядром яйцеклетки. 3. Слияние сперматозоида с ядром яйцеклетки.

Детали этого процесса очень варьируют и специфичны для каждого вида, что препятствует межвидовому скрещиванию.

3. Необычные формы полового размножения у животных.

Однако у некоторых видов животных воспроизведение нового поколения осуществляется с помощью необычных разновидностей полового размножения: гиногенеза, андрогенеза и партеногенеза.

Гиногенез и андрогенез – это формы полового размножения, при которых происходит сингамия и не происходит кариогамия.

При гиногенезе сперматозоид после проникновения в клетку гибнет, и развитие происходит за счет ядра яйцеклетки. Так происходит размножение, например, у рыбки молинезии. При андрогенезе, напротив сохраняется ядро сперматозоида и за счет него идет развитие зародыша. Такой тип развития известен у некоторых видов тутового шелкопряда.

Партеногенез – это форма полового размножения, при котором зародыш развивается вовсе без оплодотворения. Такой тип размножения называют также девственным размножением. Надо отметить, что речь идет именно о половом типе размножения, так как размножение происходит из половых клеток.

Различают партеногенез естественный и искусственный.

У многих видов животных и растений естественный партеногенез может быть случайной формой размножения, при которой зародыш оказывается мало жизнеспособным и редко достигает взрослого состояния. У некоторых видов живых существ существуют популяции, состоящие только из особей женского пола, которые размножаются путем партеногенеза. Наблюдается также чередование партеногенетических поколений и обычных. Например, у тлей поколения, состоящие только из самок, чередуются с поколениями состоящими из самцов и самок.

Цитологические механизмы партеногенеза различны. У одних видов яйцеклетка образуется обычным путем, и все клетки партеногенетических организма состоят из гаплоидных клеток. Так, например, у пчел развиваются самцы-трутни. Есть виды, у которых гаплоидная яйцеклетка сливается с одной из клеток тела и приобретает диплоидный набор хромосом. У третьих яйцеклетка образуется без мейоза и сохраняет диплоидный, а иногда и полиплоидный набор хромосом.

4. Гаметогенез и оплодотворение у покрытосеменных растений.

Теперь обратимся к оплодотворению у растений. Как и у животных у разных групп растений наблюдается весьма большое разнообразие в деталях процесса размножения. Мы опишем процесс размножения у растений самой распространенной группы – покрытосеменных или цветковых растений.

Развитие яйцеклетки происходит в завязи цветка. Здесь находится клетка, называемая зародышевый мешок. Эта клетка имеет восемь гаплоидных ядер, то есть содержащих половинный по сравнению с клетками тела набор хромосом. Ядра располагаются на верхнем и нижнем полюсах клетки. Перед оплодотворением с ядрами происходят превращения. Вначале два ядра отходят от верхнего и от нижнего полюса клеток и, сливаясь, образуют диплоидное центральное ядро. Затем исчезают пять ядер, и остается только одно ядро, вокруг которого формируется яйцеклетка. Таким образом, к началу оплодотворения зародышевый мешок состоит из двух клеток: центральной, имеющей диплоидное ядро и яйцеклетки, имеющей диплоидное ядро.

Не менее интересные события происходят в пыльцевом зерне. Пыльцевое зерно созревает в пыльцевом мешке. Оно состоит из двух клеток: генеративной и вегетативной. При попадании пыльцевого зерна на рыльце пестика из вегетативной клетки развивается пыльцевая трубка, по которой спермии проникают в завязь. Генеративная клетка перед оплодотворением делится и образует два спермия.

Во время оплодотворения один спермий сливается с центральной клеткой, а другой спермий с яйцеклеткой. В результате образуется диплоидный зародыш и триплоидный, то есть, имеющий тройной набор хромосом, эндосперм.

Такой способ оплодотворения называется двойным оплодотворением.

3. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ ИЛИ ОНТОГЕНЕЗ.

Совокупность изменений, которые претерпевает организм от рождения до смерти, называются онтогенезом.

У организмов, которые размножаются бесполым путем начало онтогенеза – это либо деление материнского тела, либо – специализированных клеток – спор.

У организмов, размножающихся половым путем, онтогенез начинается с процессов гаметогенеза и оплодотворения. Онтогенез животных можно разбить на два неравных этапа. Первый этап можно назвать эмбриональным или пренатальным – это развитие от оплодотворения до начала самостоятельного осуществления процессов жизнедеятельности. Второй этап, постнатальный или постэмбриональный, продолжается от начала самостоятельного развития или рождения и заканчивается смертью.

В развитии многих животных есть общие черты эмбрионального развития, что доказывает общность их происхождения. Если рассмотреть развитие, например, хордовых животных, то окажется, что первые стадии развития у ланцетника и человека во многом похожи.

Первая стадия эмбрионального развития хордовых животных – это стадия дробления. На этой стадии из образовавшейся после оплодотворения зиготы путем дробления возникает зародыш, состоящий вначале из 2, затем из 4, 8, 16, 32, 64, 128 и так далее в геометрической прогрессии клеток. Некоторое время зародыш напоминает ягоду тута или шелковицы. Эту стадию называют часто морулой. Период дробления завершается стадией бластулы. Бластула представляет собой пузырек, состоящий из одного слоя клеток, называемых бластомерами. Внутри бластулы находится полость, заполненная жидкостью. Бластомеры отличаются друг от друга по химическому составу, строению и, иногда, по размерам.

После бластулы наступает стадия, называемая гаструлой, а процесс образования гаструлы называется гаструляцией. У разных животных гаструляция протекает по-разному. Например, у простейшего представителя хордовых животных ланцетника гаструла образуется путем затягивания части клеток бластулы во внутреннюю полость пузырька. В результате образуется зародыш, состоящий вначале из двух слоев клеток. На этой стадии зародыш напоминает кишечно-полостное животное, например, гидру. Наружный слой клеток называется эктодермой, а внутренний слой – энтодермой. К концу гаструляции возникает третий зародышевый листок – мезодерма.

Зародышевые листки гомологичны, то есть имеют общее происхождение и функции, у всех многоклеточных животных. Из них образуются все органы животных. При этом дифференцировка клеток идет в строго определенных направлениях.

Из эктодермы развиваются покровы тела: наружный эпителий, кожные железы, поверхностный слой зубов, роговые чешуи. Часть эктодермы погружается внутрь тела и дает начало нервной системе.

Из энтодермы развивается эпителий пищеварительного тракта и пищеварительные железы, а также эпителий дыхательной системы.

Из мезодермы образуется зародышевая соединительная ткань – мезенхима. Из неё в дальнейшем формируются различные соединительные ткани: хрящевая, костная, плотная и рыхлая, кроветворная, жировая. Из мезодермы образуются также все виды мышечных тканей – скелетная, гладкая, сердечная.

Стадия гаструлы плавно переходит в следующую стадию эмбрионального развития, называемую нейрула. На этой стадии происходит закладка всех органов и систем органов. Возникает, например, разделение на центральную периферическую нервную системы. Происходит дифференциация кишечной трубки на отделы. Таким образом, обнаруживается общий план строения.

Постэмбриональное развитие может происходить двумя путями прямым и непрямым.

При прямой форме развития рождается организм по строению сходный с взрослым организмом, но меньших размеров. Формирование плана строения завершено, но продолжается рост размеров тела. Такой тип развития характерен для млекопитающих, птиц, рептилий.

При непрямой форме развития организм проходит личиночную стадию. Таким образом, непрямое развитие всегда связано с превращением или метаморфозом. Личинка, как правило, ведет иной образ жизни, нежели взрослое животное. Это дает виду известное преимущество в борьбе за существование, так как личинки не конкурируют с взрослыми особями за природные ресурсы. У некоторых видов животных личиночная стадия по времени бывает гораздо продолжительнее взрослой стадии. Например, многие виды насекомых живут в качестве личинок многие месяцы, а взрослые особи живут несколько дней и существуют лишь для размножения. Иногда они даже не питаются. Большинство известных науке видов животных размножаются с метаморфозой. Это все жуки, прямокрылые, бабочки, многие виды моллюсков, земноводные и так далее.

На индивидуальное развитие организмов оказывает влияние как внешняя среда, так и, конечно, наследственность.

Раздел 3.Основы генетики и селекции.

Содержание раздела

1. Рождение генетики. Законы Менделя.

2. Хромосомная теория наследственности.

3. Закономерности изменчивости.

4. Генетика и селекция.

1.РОЖДЕНИЕ ГЕНЕТИКИ. ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ.

1. Первый закон Менделя.

Наиболее удивительное свойство живой клетки – это её способность к передаче наследственных признаков потомству. Наука, изучающая материальные основы наследственности и изменчивости называется генетикой. Основателем генетики является чешский ученый Грегор Мендель. В 1865 году Мендель сформулировал законы, которые затем были названы его именем.

До Менделя были известны методы скрещивания живых существ, когда в результате получались животные и растения с признаками обоих родителей. Такие живые существа назывались и называются, по сей день - гибридами. Раньше считалось, что в гибридах признаки родителей просто и равномерно перемешаны.

Мендель усовершенствовал гибридологический метод: во-первых, он применил впервые математические методы обработки данных, что было не характерно для биологии 19 века; во-вторых, он очень удачно выбрал объект исследований – горох. Горох – самоопылитель, поэтому многие его сорта являются весьма чистыми генетическими линиями.

В своих опытах Мендель использовал сорта гороха, которые отличались по хорошо различимым признакам: цвет и форма семян, длина стебля, цвет и форма цветов и другие. Главное, что он изучал, как наследуется каждый конкретный признак, а не все сразу.

Он обнаружил следующее. В первом поколении гибридов(F1) все растения походили на одного из родителей. Например, при скрещивании сортов с зелёными и желтыми семенами все растения имели желтый цвет. Признак, который проявлялся в первом поколении гибридов, Мендель назвал доминантным, а который не проявлялся – рецессивным.

Смысл этих результатов стал ясен, когда Мендель получил второе поколение гибридов(F2), скрестив растения первого поколения. При этом оказалось, что во втором поколении у 75% потомков проявились доминантные признаки, у 25% - рецессивные. По каждому из семи изученных признаков во втором поколении гибридов было получено соотношение доминантных признаков к рецессивным 3:1. От скрещивания растений второго поколения с рецессивными признаками в третьем поколении(F3) были получены растения только с рецессивными признаками. Потомство растений с доминантными признаками расщепилось по проявлению признаков: 1/3 дала потомство исключительно с доминантными признаками, а 2/3 – смешанное потомство, в котором соотношение числа растений с доминантными и рецессивными признаками составило 3:1.

Первый закон Менделя формулируется так. В потомстве, полученном от скрещивания гибридов первого поколения, наблюдается явление расщепления: четверть гибридов имеет рецессивный признак, три четверти – доминантный.

2. Гипотеза чистоты гамет.

В науке важно не только получить данные, но и правильно их объяснить. Заслуга Г. Менделя в том, что он правильно интерпретировал полученные результаты, опередив современную ему науку на 35 лет. Объяснение Менделя называют часто «гипотезой чистоты гамет», чем подчеркивают главную идею, положенную в это объяснение. В современных терминах основные положения этой гипотезы звучат так.

1. Из поколения в поколение передаются не признаки, а гены, контролирующие их развитие.

2. Развитие каждого признака контролируется двумя генами: один из них от отца, а другой от матери. Два таких гена называют аллельными. Аллели могут быть тождественными, как это имеет место у родителей, происходящих из стабильных и проверенных в течение многих поколений чистых линий. Особи, у которых аллельные гены одинаковы, называются гомозиготными. Гены гибрида различны, чаще всего проявляется только один из них - доминантный, реже возможно промежуточное наследование. Особи, у которых аллельные гены различны, называют – гетерозиготами.

3. Два различных гена гибрида – доминантный и рецессивный – существуют в нём, не сливаясь, не смешиваясь и не разбавляясь. Передача генов последующим поколениям не зависит от того, осуществил ли ген свое действие в развитии особи или контролируемый им признак оказался подавленным.

4. При образовании половых клеток гибрида в каждую гамету попадает только один ген из каждой аллельной пары. Гаметы с рецессивными и доминантными генами образуются в равном числе и обладают равной жизнеспособностью. Встреча и слияние гамет при оплодотворении не зависят от задатков, которые они несут.

Совокупность внешних признаков, которыми проявляются гены, называют фенотипом, а генетическую конституцию генотипом.

3. Второй закон Менделя.

Мендель провел опыты по скрещиванию сортов гороха, отличающихся более чем одним признаком. Если первую серию опытов принято называть моногибридным скрещиванием, то эти опыты принято называть дигибридным скрещиванием. Как и в первой серии опытов, он использовал две чистые линии, которые при самоопылении давали потомство тождественное родительской форме. Одна из скрещиваемых линий имела круглые желтые семена, а другая – морщинистые, зелёные. Поскольку гены, определяющие круглую форму и желтый цвет семян, доминируют, то всё потомство в первом поколении гибридов имело желтые и круглые семена. Однако при скрещивании гибридов первого поколения между собой во втором поколении происходило расщепление признаков и наряду с исходными формами – желтыми, гладкими и зелеными, морщинистыми – появились смешанные фенотипы – желтые, морщинистые и зеленые, гладкие.

И эти результаты Мендель смог объяснить, исходя из предположения о существовании генов. Для этого ему пришлось сделать допущение, что при образовании половых клеток гены разных аллельных пар передаются независимо друг от друга. Соотношение между фенотипами во втором поколении дигибридного скрещивания было следующим: 9(круглые, желтые): 3(круглые, зеленые): 3(морщинистые, желтые): 1(зеленые, морщинистые).

Этот феномен независимого распределения получил название второго закона Менделя. Его формулируют так. Расщепление в каждой паре генов идет независимо от других пар генов.

Поэтому дигибридное скрещивание можно рассматривать как два независимых моногибридных. Правда в дальнейшем мы сможем убедиться, что существует масса исключений из этого правила, которые подтверждают этот закон.

4. Генетическая терминология.

Разберемся теперь с терминами и символами, которые используют в современной генетике. Доминантные гены принято обозначать большими буквами латинского алфавита, а рецессивные - малыми. Например, ген, контролирующий желтую окраску семян, обозначается буквой А, а ген, контролирующий зеленую окраску а. Доминантный генотип будет обозначаться, соответственно, АА, а рецессивный – аа. Родители в генетике обозначаются латинской буквой Р, гибриды первого поколения, соответственно, F1, а второго – F2.

Схема моногибридного скрещивания, характерного для первого закона Менделя будет выглядеть так.

Моногибридное скрещивание.

Р АА Х аа

F1 Aa

гаметы	А	а
А	АА	Аа
а	Аа	Аа

Показанная выше схема была предложена английским математиком Пеннетом и называется решеткой Пеннета

Исходные формы, имеющие одинаковые аллели называются гомозиготными, а гибриды – гетерозиготными.

Нетрудно убедиться, что по фенотипу мы будем наблюдать типичное менделевское распределение 3:1, а по генотипам 1:2:1. Такое распределение наблюдается и по фенотипам в случае неполного доминирования, когда гетерозиготы имеют свои фенотипы.

Для дигибридного скрещивания схема выглядит сложнее.

Дигибридное скрещивание.

Р ААВВ Х аавв

F1 AaBв

Гаметы	АВ	Ав	аВ	ав
АВ	ААВВ	ААВв	АаВВ	АаВв
Ав	ААВв	ААвв	АаВв	Аавв
аВ	АаВВ	АаВв	АаВВ	ааВв
ав	АаВв	Аавв	АаВв	аавв

Из данной схемы видно, что распределение по фенотипам 9:3:3:1, а по генотипам 1:2:2:4:1:2:1:2:1.

2. ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ.

1. Работы Т. Моргана и его школы.

Впервые идею связи между хромосомами и генами выдвинул в 1903 году американский ученый Сэттон. Он предположил, что диплоидные наборы хромосом состоят из двух сходных гаплоидных наборов, и что в процессе мейоза каждая гамета получает только одну хромосому из каждой пары гомологов. Сэттон считал, что гены являются частью хромосом, и с этой точки зрения истолковал результаты Менделя.

Дальнейшее развитие классической генетики связано со школой знаменитого американского биолога Томаса Моргана. Существование разных форм одного и того же гена – аллелей – заставило исследователей задуматься над вопросом, как эти формы возникают. Одна из гипотез утверждает, что гены могут изменяться, то есть мутировать, в результате чего и появляются новые (мутантные) аллели. Эту гипотезу и подвергли серьёзной проверке Т. Морган и его ученики.

Объектом их исследований стала плодовая мушка дрозофила. Она, как объект исследований имеет ряд особенностей, выгодных для генетиков. Во-первых, она очень быстро размножается в лабораторных условиях, давая раз в две недели новое поколение особей. Во-вторых, эти мухи имеют большое число хорошо заметных мутаций. В-третьих, число хромосом у этих мух в диплоидном наборе всего 8, что облегчает создание генных карт. В-четвертых, в слюнных железах этих мух были обнаружены гигантские хромосомы, благодаря которым удалось изучить структуру хромосом.

Морган и его ученики, прежде всего, показали, что Сэттон прав, что гены, действительно, находятся в хромосомах. Пожалуй, самыми впечатляющим открытием, сделанным Морганом было открытие явления кроссинговера.

В основе второго закона Менделя лежит механизм независимого распределения хромосом в процессе мейоза. Гены, содержащиеся в разных хромосомах, могут попасть в разные гаметы и поэтому наследуются случайным образом, давая классическое распределение 9:3:3:1. Однако когда исследователям удалось выделить достаточное количество мутантных генов, они обнаружили, что второй закон Менделя исполняется далеко не всегда. В тех случаях, когда гены находились в одной хромосоме, классическое распределение нарушалось. В то же время Морган показал, что сцепление генов в одной хромосоме не всегда полное. Вероятность того, что два гена разойдутся в процессе мейоза, колеблется от 100% до 50%. Это обстоятельство прямо указывает на наличие механизма, с помощью которого гомологичные хромосомы могут обмениваться генами. Такой механизм получил название кроссинговера. Кроссинговер происходит в первой профазе мейоза во время конъюгации. Цитологический механизм кроссинговера еще до конца не ясен, но Морган показал, что чем ближе на хромосоме расположены два гена, тем теснее они сцеплены между собой. Естественно, чем дальше друг от друга гены, тем меньше сцепление. При этом было сделано предположение, что гены в хромосомах расположены линейно. Это дало возможность построить своеобразные генные карты хромосом, на которых указано взаимное расположение генов. За единицу расстояния на этой карте принимается 1% рекомбинации или 1 морганида. Таким образом, были составлены полные генные карты дрозофилы и некоторых других видов живых существ.

2. Взаимодействие генов.

Другое существенное отклонение от 2 закона Менделя наблюдается при взаимодействии генов, Геном – это не отдельные гены, составляющие механическую смесь, а единая и сложная система взаимозависимых единиц наследственности.

В случае взаимодействия генов между собой наблюдаются изменения классического соотношения по фенотипам 9:3:3:1.

Существуют разные формы взаимодействия генов между собой: комплементарность (дополнительность), эпистаз, полимерия, и множественное действие гена – плейотропный эффект.

Комплементарным или дополнительным называется такое взаимодействие неаллельных генов, в результате которого появляется совсем новый признак не определявшийся ни одним, ни другим геном. Например, при скрещивании двух рас белоцветного гороха появляется потомство с пурпурными цветами. Причем, в первом поколении наблюдаются растения только с пурпурными цветками, а во втором поколении наблюдалось необычное соотношение 9 пурпуроцветных к 7 белоцветным растениям. Это может наблюдаться только в том случае, когда за появление пурпурной окраски отвечают два гена, причем, оба в доминантном состоянии. Отсутствие одного из этих генов в доминантном состоянии или обоих генов вызывает белую окраску.

Эпистаз –это явление, при котором наблюдается подавление одного гена другим (А> В). Классический пример окраска белых кур. В первом поколении все куры были белыми, а во втором наблюдалось соотношение 13 белых к 3 окрашенным курам. У этих последних ген, подавляющий окраску был в рецессивном состоянии.

Полимерия или полимерное действие гена заключается в воздействии нескольких генов на проявление одного признака. Чем больше таких генов в доминантном состоянии, тем сильнее проявление признака. Такого рода действие генов характерно для так называемых количественных признаков: рост, вес, яйценоскость кур и т. д. Многие морфологические признаки: окраска кожи у человека, форма стручков у пастушьей сумки – зависят от полимерии. Соотношение во втором поколении может быть 15: 1.

Множественное действие генов или плейотропный эффект – это действие одного гена на разные признаки. Ген белых глаз у дрозофилы влияет на развитие крыльев и полового аппарата. Чем раньше в процессе онтогенеза включается данный ген, тем сильнее его плейотропный эффект.

3.Генетика пола. Основные положения хромосомной теории.

В 1890 году была обнаружена т. н. добавочная хромосома, которую мы называем Х. Биологическое значение этой хромосомы было выяснено американскими цитологами Вильсоном и Стивенсом. Оказалось, что эта хромосома определяет пол у многих живых существ. Наличие двух ХХ хромосом определяет женский пол у человека и других млекопитающих, а наличие в геноме особой хромосомы У определяет мужской пол. Пол с одинаковыми половыми хромосомами называется гомогаметным, а с разными - гетерогаметным. Однако есть животные, у которых всё наоборот, то есть гетерогаметным является как раз женский пол, например, у птиц у самок хромосомы WZ, а у самцов ZZ. Первым мутантом, исследованным Морганом,

были мухи с белыми глазами. Опыты с этими мухами показали, что это признак передается потомству так же, как и Х-хромосома. Оказалось, что ген, определяющий цвет глаз, находится в этой хромосоме. Так были открыты гены, сцепленные с полом. Поскольку ген «белых газ» рецессивный, он проявляется главным образом у самцов, так как У-хромосома на содержит альтернативного гена. Так же наследуется у человека, например, гемофилия и дальтонизм.

Кроме признаков, сцепленных с полом, существуют признаки, определяемые полом. Например, никогда не бывает безрогих быков, а коровы бывают. Ген «комолости» не сцеплен с половыми хромосомами, но зато выражается почти исключительно у самок. То же самое, но только в обратном смысле можно продемонстрировать на примере «гена лысости» у человека.

Результатом усилий различных школ генетиков явилось создание хромосомной теории наследственности. Вот её главные положения.

1. Ген – единица наследственности и изменчивости, локализованная главным образом в хромосомах, а также иногда в цитоплазме.

2. Хромосомы сохраняют структурную и генетическую индивидуальность в течение всего жизненного цикла организма.

3. Гомологичные хромосомы в мейозе попадают в разные гаметы.

4. В зиготах хромосомный набор состоит из двух гомологичных групп материнского и отцовского происхождения.

5. Каждая хромосома играет специфическую роль в развитии особи. Гены в них расположены линейно и существуют в аллельных формах, по разному влияя на фенотипическое проявление признака.

4.Основные методы генетики человека.

Человек, как и все живые существа, подчиняется генетическим законам. Пример – это болезнь несвертывания крови – гемофилия. Она проявляется у мальчиков, а попадает к ним с Х хромосомой матери. К наследнику русского престола царевичу Алексею этот ген попал от королевы Великобритании Виктории через императрицу Александру Федоровну.

Поскольку человек существо социальное, то и методы, которые обычно используют в генетике – скрещивание и гибридологический анализ - к нему применять нельзя. Поэтому в генетике человека пользуются косвенными методами. Рассмотрим их сущность.

1. Генеалогический метод заключается в изучении наследования свойств человека по родословным (педигри). Применим, если у исследуемого человека, называемого пробандом, имеются данные о предках. Его основное назначение – это установление типа наследования. При доминантном типе наследования, и если ген расположен в неполовых хромосомах – аутосомах, ген патологии реализуется в каждом поколении. Так проявляются болезни глаукома, косоглазие, отосклероз, кариес и другие, В случае рецессивного типа наследования патологический ген проявляется в гомозиготном генотипе через несколько поколений, Так наследуются диабет и шизофрения. Некоторые типы патологии сцеплены с полом.

2. Близнецовый метод особенно хорош при изучении взаимодействия генотипа и среды в формировании нормальных и патологических признаков. Известно, что существуют однояйцовые и разнояйцовые близнецы. Первые – в генетическом смысле почти одинаковые, а вторые похожи как обычные погодки. Во всяком случае, среда на однояйцовых близнецов оказывает почти одинаковое влияние, а на разнояйцовых это действие более разнообразно.

3. Цитогенетический метод. Этот метод основан на изучении кариотипа, то есть хромосомного набора и состояния хроматина. При помощи этого метода, например, показано, что болезнь Дауна (отставание в развитии, идиотия) связана с наличием в кариотипе лишней 21 хромосомы. Хорошо изучены патологии, связанные с половыми хромосомами: синдром Шерешевского- Тернера, синдром «агрессивности» и другие.

4. Популяционный метод. Задача этого метода изучить распространение генов в популяциях, основанное на математической обработке данных, Например, в 30-х годах в Москве среди мужчин было обнаружено 7% дальтоников, а среди женщин 0,5%, причем 13% женщин были носителями этого гена.

5. Биохимический метод. Этот метод основан на определении генетических нарушение метаболизма. Он особенно хорош в сочетании с методом забора околоплодной жидкости, что позволяет вовремя устранить заболевание.

6. Генно-инженерный метод. Эти методики позволяют выделять и манипулировать с генами. Во многих странах предлагают ввести запрет на эти эксперименты. Однако 23 января 2001 года Палата лордов английского парламента дала разрешение на такие опыты. Этим открывается новая страница в генетических исследованиях человека. Уже близок тот момент, когда многие неизлечимые ныне болезни будут побеждены человеческим разумом. Однако существует и явная опасность использования этих открытий в других целях.

3.ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЧИВОСТИ.

1.Различия наследственной и ненаследственной изменчивости.

Изменчивость – процесс возникновения различий между особями одного или разных поколений. Различают изменчивость наследственную (генетическую) и ненаследственную (модификационную). Наследственная изменчивость проявляется во всём разнообразии индивидуальных различий – качественных и количественных – независимых друг от друга и взаимосвязанных, приспособительных или вредных для организма.

Ненаследственная изменчивость возникает под непосредственным воздействием внешней среды, не приводящим к изменению генотипа. Пределы ненаследственной изменчивости определены нормой реакции организмов.

Формы изменчивости.

Наследственная	Ненаследственная
Неопределенность – один и тот же фактор может вызвать изменения разных признаков в разных направлениях, разные внешние факторы могут вызвать одинаковые изменения.	Определенность – каждый внешний фактор вызывает изменения определенных признаков в определенных направлениях.
Степень изменения признака не зависит от силы или длительности действия внешнего фактора, вызвавшего изменение.	Степень изменения признака прямо пропорциональна силе и длительности действия внешнего фактора, вызвавшего изменение.
За редким исключением не имеют приспособительного значения.	Больше частью имеют адаптивное значение.
Постоянны – не исчезают в течение жизни.	Нередко обратимые изменения в течение жизни особи.
Наследуются	Не наследуются

2.Модификационная изменчивость

Модификационная изменчивость определяется нормой реакции. Крайние пределы модификационной изменчивости, её крайние проявления называются нормой реакции. Надо отметить, что пределы модификационной изменчивости могут быть достаточно широки, и иногда довольно трудно отличить их от наследственных изменений, особенно, если эти последние носят количественный характер (масса семян, размеры листьев, длина шерсти).

Чтобы определить пределы модификационной изменчивости используют методы количественного математического анализа. Для этого проводят измерения количественного признака и определяют так называемые варианты. Затем строят вариационную кривую на основе всех вариант. Крайние варианты отбрасывают и ограничивают пределы вариационной изменчивости или норму реакции.

Существует и прямой способ определить является ли данное изменение модификацией или мутацией. Таким способом является, когда это возможно, изменение внешних условий. Например, примула при пониженной температуре до 30 градусов Цельсия цветёт красными цветками, а выше 30 градусов – белыми.

Если признак не изменяется при внешних воздействиях или изменяется незначительно, то считается, что признак является наследственным. Правда, такой прямой способ проверки доступен далеко не всегда.

3.Мутационная изменчивость.

Термин «мутация» был введен в генетику известным ученым Гуго де Фризом.

Мутация, по его определению, - это явление скачкообразного, прерывистого изменения наследственного признака.

Положения его теории мутирования не утратили значения до сих пор. Они таковы.

1. Мутация возникает внезапно, без всяких переходов.

2. Новые формы вполне устойчивы.

3. Мутации – это качественные изменения.

4. Они идут во всех направлениях и могут быть вредными, полезными и нейтральными.

5. Выявление мутаций зависит от количества особей, проанализированных для обнаружения мутаций.

6. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

Де Фриз, к сожалению, противопоставил свою теорию теории Дарвина, считая мутации новыми видами. Это было ошибочное представление, которое было использовано врагами генетики и стоило жизни многим великим советским ученым в 40-х годах ХХ века.

Существуют разные классификации мутаций.

1. По фенотипу. Это классификация мутаций по внешним проявлениям. По это классификации мутации бывают морфологические, физиологические, биохимические. Такой классификацией в наше время пользуются редко.

2. По характеру изменений генотипа. По этой классификации мутации бывают: генные или точковые, внутрихромосомные и межхромосомные перестройки и изменение числа хромосом. Различают два вида изменений количества хромосом. Увеличение или уменьшение полных наборов хромосом называется полиплоидия или гаплоидия. Изменение числа хромосом в диплоидном наборе называется анеуплоидия.

3. Генеративные и соматические мутации. Первые – происходят в половых клетках, а вторые – в клетках тела.

Мутационный процесс происходит в природе под действием мутагенов, возникающих в самом организме в процессе обмена веществ и имеющихся в окружающей среде. Считается, что каждая пятидесятая или сотая гамета несет мутацию какого-либо гена.

4. Комбинативная изменчивость. Закон гомологических рядов

Н. И. Вавилова.

Комбинативная изменчивость – это форма наследственной изменчивости, при которой изменяются не сами гены, а их сочетания и взаимодействие в генотипе.

Цитологическая основа комбинаций – распределение по гаметам одних отцовских и материнских хромосом независимо от других в процессе мейоза и их случайное сочетание при оплодотворении, а также кроссинговер хромосом при мейозе и обмен генами между гомологическими хромосомами. Потенциально, число комбинаций необозримо велико. Например, если генотип какого-либо организма содержит всего 1000 генов, и каждый ген способен только к 10 различным мутациям, то число возможных вариантов составит астрономическую цифру 10 в 1000 степени, что значительно больше количества атомов в нашей Галактике.

Многие комбинации оказываются нежизнеспособными и отметаются естественным отбором. Однако есть и полезные мутации и комбинации, которые закрепляются партеногенезом, вегетативным размножением и т. д.

По-видимому, свой вклад в комбинационную изменчивость вносят и подвижные генетические элементы, молекулярная природа которых активно изучается в последнее время.

Закон гомологических рядов. Прежде чем закончить разговор об изменчивости, следует вспомнить еще один закон, открытый великим русским генетиком Н. И. Вавиловым в далеком 1920 году. Суть этого закона состоит в том, что близкие по происхождению и генетической конституции виды изменяются параллельно. Близкородственные виды и роды, благодаря большому сходству их генотипов обладают сходной наследственной изменчивостью. Закон Н. И. Вавилова позволяет целенаправленно искать и находить нужные признаки у различных видов в огромном многообразии диких и культурных форм. Он демонстрирует тот факт, что изменения в генах идут по определенным законам, а не случайно и хаотически. Открытие Н. И. Вавилова одно из выдающихся достижений в генетике.

4. ГЕНЕТИКА И СЕЛЕКЦИЯ.

1. Задачи и методы селекции.

Селекция – это наука о выведении новых и улучшении существующих сортов растений, пород животных, и штаммов микроорганизмов.

В основе селекции лежат генетические знания, а именно, о наследственности и изменчивости.

Специфическими методами селекции являются – гибридизация или скрещивание и отбор или селекция, которые используются также и в генетике. Таким образом, селекция – это прикладная генетика.

Исходным материалом для селекции могут быть виды живых существ, только вводимые в культуру, а также культурные живые существа, нуждающиеся в улучшении. Поиск исходного материала направляется учением, созданным Н. И. Вавиловым о центрах происхождения культурных растений, а также учением академика Д. К. Беляева о центрах одомашнивания животных.

Основными методами селекции являются гибридизация и отбор. Методы селекции различных групп определяются их биологическими особенностями.

Существуют две системы гибридизации – инбридинг и аутбридинг. Инбридинг – это система близкородственных скрещиваний типа брат – сестра, отец – дочь, мать – сын, двоюродные братья и сёстры. Эта система скрещиваний широко используется в селекции с древнейших времён. Яркий пример инбридинга - это самооплодотворение, в результате которого происходит слияние гамет, образованных одним и тем же организмом. В результате инбридинга в каждом новом поколении половина генов, бывшая в гетерозиготном состоянии, переходит в гомозиготное. При этом часто появляются особи гомозиготные по вредным генам с пониженной жизнеспособностью. Это явление получило название – инбредная депрессия. Инбредная депрессия особенно ярко проявляется в первых поколениях инбридинга. Затем она постепенно затухает, по мере того, как популяция освобождается от рецессивных генов. Скрещивание двух или нескольких стабильных инбредных линий широко применяется в селекции для получения эффекта гетерозиса.

Гетерозис или гибридная сила – это свойство гибридов первого поколения превосходить по совокупности признаков лучшую из родительских форм. Этот эффект при половом размножении постепенно затухает во втором и третьем поколениях, но может быть сохранен при вегетативном размножении. Механизм гетерозиса остается до сих пор загадкой.

Кроме различных систем скрещивания существуют две системы отбора: индивидуальный и массовый. Массовый отбор базируется на внешних (фенотипических) показателях. Этот тип отбора, вследствие отсутствия прямой оценки наследственных свойств, приводит к медленным темпам селекции.

В отличие от массового отбора при индивидуальном отборе, прежде всего, учитываются свойства потомства отдельного живого существа, что увеличивает темп селекции в несколько раз. Однако этот подход применим далеко не во всех случаях.

2. Селекция растений.

Селекционная работа направлена на создание новых сортов растений.

Сорт – это группа организмов одной сельскохозяйственной культуры, родственных по происхождению, обладающих комплексом хозяйственно ценных признаков, отобранных и размноженных для возделывания в определенных природных и производственных условиях.

Методы селекции растений те же самые, что описаны выше. Здесь широко используется инбридинг с последующим получением гетерозиса. Используются самые разнообразные методы отбора.

Большей вклад в развитие селекции растений внес И. В. Мичурин, который помимо традиционных методов селекции, применял и другие методы. Одним из этих методов является метод «ментора». Для воспитания в гибридном сеянце желательных качеств его прививают к растению, обладающему этими качествами. Правда, этой работе часто предшествует предварительная гибридизация, призванная сблизить эти растения. Дальнейшее развитие гибрида идет под влиянием веществ, вырабатываемых растением- воспитателем (ментором). У гибрида-привоя усиливаются искомые качества, например, зимостойкость. В данном случае в процессе развития гибридов происходит изменение свойств доминантности, хотя механизм этого явления до конца не понятен. Интересно, что ментором может быть и привой и подвой.

У Мичурина были и другие специфические методы: метод посредника, опыления смесью пыльцы, метод предварительного вегетативного сближения и другие. И. В. Мичурин вывел сотни сортов растений.

К специфическим методам селекции растений следует отнести методы, способствующие получению полиплоидных гибридов. Они основаны на обработке клеток веществами, например колхицином, с помощью которых достигается нарасхождение хромосом в мейозе и кратное увеличение гаплоидного набора хромосом. С помощью колхицина выдающемуся отечественному генетику Г. Д. Карпеченко удалось получить межвидовые гибриды редьки и капусты, названные им рафанобрасика.

3. Селекция животных. Методы селекции микроорганизмов.

Методы селекции животных характеризуются индивидуальным характером при подборе пар и отборе потомства. Используется метод искусственного осеменения.

Отличительной чертой животных является невозможность вегетативного размножения у них, поэтому для поддержания эффекта гетерозиса необходимо постоянное межлинейное скрещивание. При индивидуальном отборе особи оцениваются не только по фенотипу, но и по генотипу.

Среди отечественных селекционеров-животноводов наиболее известным является академик М. Ф. Иванов, который вывел прекрасную белую украинскую степную породу свиней на основе чистопородных английских свиней.

Селекция микроорганизмов имеет свои особенные методы. Поскольку микробы – это одноклеточные организмы, на них можно оказывать прямое действие мутагенами. Для получения мутантов исходный материал расщепляется на 100-200 клонов-колоний, состоящих из потомства единичных клеток, далее следует отбор, по типу являющийся индивидуальным, поскольку каждая колония, по сути, является однородной популяцией. Отбор идет по повышению биохимической активности. Новые колонии вновь подвергаются мутагенезу и отбирают ещё более активные. Так можно получить штаммы микроорганизмов, отличающиеся по активности от исходных форм в 100-200 раз.

Классические методы селекции не потеряли актуальности и в наше время, хотя их потеснили современные методы, основанные на генно-инженерных методиках. Однако отбор не может быть заменен полностью этими методами.

4. Генная инженерия и селекция.

Современные методики, заимствованные селекционерами из молекулярной биологии и генетики открыли новую страницу в развитии этой науки. Эти прикладные методы называют биотехнологией. В основе биотехнологических методов лежат хромосомная, клеточная и генная инженерия. Работ в этих областях сделано немало. Ещё в конце 70-х годов во Всесоюзном научно- исследовательском институте генетики и селекции микроорганизмов были проведены работы по получению с помощью генной инженерии высокопродуктивных штаммов кишечной палочки для производства аминокислоты треонина. Вначале был клонирован ген этой аминокислоты. А затем с помощью специальной плазмиды-вектора этот ген введен в разные штаммы кишечной палочки. В результате дальнейшей селекционной работы были получены высокопродуктивные штаммы, которые к тому же могли выделять эту аминокислоту в окружающую среду, что облегчает её очистку. За эту работу коллектив авторов получил в дальнейшем Государственную премию.

Нужно отметить, что новейшие методы селекции, вовсе не заменяют старые. Главное, что они дают селекционерам – это облегчают им поиск исходного материала для селекции. После появления этих методов многим, в том числе и серьезным ученым, казалось, что скоро вся селекция сведется к биотехнологии. Однако, вряд ли, когда-нибудь такое время настанет, так как, чтобы получить новый сорт или породу их нужно провести через отбор. Поэтому новые методы позволяют селекционерам быстро получить материал для селекции, причем, получить его более целенаправлен. В целом это ускоряет работу, но вывести новый сорт растения за несколько месяцев все равно нельзя.

Новые так называемые трансгенные организмы имеют более высокую плодовитость, урожайность, быстрее растут. Некоторые считают, что потребление их пищу вредит здоровью. Думается, эти опасения сильно преувеличены, так как чаще всего для получения этих организмов ученые используют гены этих же организмов, а эффекта добиваются за счет увеличения количества копий гена, отвечающего за рост или плодовитость.

Раздел 4.ЭВОЛЮЦИОННОЕ УЧЕНИЕ. ПРОИСХОЖЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА.

Содержание раздела.

1. Основные положения теории Дарвина. Доказательства эволюции органического мира.

2. Понятие вида. Микроэволюция. Современные представления о естественном отборе.

3. Макроэволюция. Развитие органического мира на Земле.

4 Происхождение жизни на Земле. Происхождение человека.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ДАРВИНА. ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ЭВОЛЮЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА.

1. Общие представления о теории Дарвина.

Современная биология базируется на двух идеях – клеточном строении всех живых существ и их постепенном историческом развитии, то есть клеточной теории и теории эволюции.

Чарльз Дарвин, создавая свою теорию, базировался на вполне ясных и понятных вещах.

В основе эволюции лежат наследственная изменчивость и несоответствие между ростом численности живых существ и ресурсами окружающей среды. Чем больше это несоответствие, тем острее конкуренция между живыми существами, что приводит к обострению борьбы за существование. В результате борьбы за существование выживают наиболее приспособленные особи, что и приводит к естественному отбору. Естественный отбор – это главный видообразующий фактор, приводящий к постепенному образованию новых видов.

Никто никогда не отрицал, что в природе существует наследственная изменчивость, несоответствие между ростом численности живых существ и условиями окружающей среды, борьба за существование и, наконец, естественный отбор. Вопрос состоит в том, а могут ли таким образом возникать новые виды? Многие ученые считают, что нет. Одни утверждают, что для протекания эволюции по Дарвину недостаточно 3.5 миллиардов лет, в течение которых по оценкам ученых существует жизнь на Земле. Другие оспаривают саму древность Земли и Вселенной, подвергая сомнению методы датировки, принятые в современной науке. Третьи продолжают верить, что приобретенные признаки наследуются.

Давайте не будем делать поспешных выводов, постараемся разобраться в этом вопросе объективно.

Дарвин немало места в своей теории посвятил изменчивости. По Дарвину изменчивость бывает двух типов: определенная и неопределенная. Определенная изменчивость не носит наследственного характера и поэтому на эволюционный процесс влияния не оказывает. А вот неопределенная изменчивость, напротив, приводит к наследственным изменениям и является исходным материалом для отбора. Эти выводы Дарвин сделал, изучая, прежде всего, домашних животных. Надо сказать, что это было гениальное предвидение, так как Дарвин не имел никаких представлений об истинных механизмах наследственности и изменчивости. В современных терминах мы называем определенную изменчивость модификационной или ненаследственной, а неопределенную изменчивость – генетической или наследственной.

Значительная часть книги Дарвина посвящена борьбе за существования. Он выделил три формы борьбы за существования: внутривидовая, межвидовая и борьба с неблагоприятными условиями неорганической природы.

Внутривидовая борьба протекает наиболее остро, так как все особи вида нуждаются в одних и тех же ресурсах. Каждый вид обладает комплексом приспособлений, уменьшающих возможность столкновения между особями. Но, в целом, внутривидовая борьба, приводя к гибели отдельных особей вида, обусловливает процветание вида и способствует его совершенствованию.

Межвидовая борьба за существование происходит между особями разных видов. Она протекает остро, если виды относятся к одному роду и нуждаются в сходных условиях.

Борьба с неблагоприятными условиями неорганической природы также усиливает внутривидовое состязание, так как особи одного вида конкурируют за свет, тепло и другие условия существования.

Естественный отбор – это природный процесс, при котором в результате воздействия условий среды на развивающийся организм сохраняются особи с полезными для себя признаками. Естественный отбор является результатом, хотя и не обязательным, борьбы за существование.

2. Доказательства эволюции.

А каковы доказательства того, что эволюция действительно имеет место?

Традиционно доказательства эволюционного процесса разбивают на четыре группы: палеонтологические, эмбриологические, сравнительно-анатомические и биогеографические.

А) Палеонтологические доказательства.

Первыми палеонтологическими исследованиями, в которых удавалось продемонстрировать, что одни виды переходят в другие были работы Владимира Онуфриевича Ковалевского, положившего тем самым начало эволюционной палеонтологии.

Ковалевский исследовал эволюцию лошадей. Ему удалось показать, что современные однопалые животные происходят от мелких всеядных пятипалых предков, которые населяли землю приблизительно 60 миллионов лет назад. Это были лесные животные. По мере того, как климат на Земле менялся, сокращались площади лесов и увеличивались площади степей, предки современных лошадей стали осваивать новую среду обитания. Необходимость защиты от хищников и передвижений на большие расстояния в поисках хороших пастбищ привела к преобразованию конечностей – уменьшению числа фаланг вплоть до одной. Параллельно изменению конечностей происходило преобразование всего организма: увеличение размеров тела, изменение формы черепа и усложнение строения зубов. Возникли свойственные травоядным животным изменения пищеварительного тракта и многое другое.

Ковалевскому удалось обнаружить последовательные ряды ископаемых форм лошадиных, эволюция которых происходила в указанных направлениях.

Последовательность ископаемых форм, образующих последовательный ряд, демонстрирующий исторические изменения видов, называются филогенетическим рядом.

Филогенетические ряды были обнаружены для многих групп животных – слонов, некоторых групп моллюсков и других. Тем не менее, неполнота палеонтологической летописи, на которую указывал ещё Дарвин, затрудняет процесс поиска ископаемых форм, связывающих группы более высокого систематического ранга, например, рыб с наземными животными. Это так называемые переходные формы, поиск которых является и сейчас одной из важнейших задач палеонтологии.

Находка кистеперой рыбы – латимерии – редкое исключение из правила, когда природа сохранила переходную форму не только в палеонтологической летописи, но и так сказать живьём. Конечно, латимерия не может превратиться в тритона, так как представляет собой тупиковую ветвь эволюционного развития, но её существование подтверждает гипотезы ученых.

Существование переходных форм между различными таксонами в систематике – типами, классами, отрядами – указывает на постепенный характер эволюционного процесса, предсказанный дарвиновской концепцией эволюции.

Б) Сравнительно –анатомические доказательства.

Немало данных, доказывающих, что эволюционный процесс идет путем, предсказанным Дарвином, дает сравнительная анатомия.

Скрупулезное исследование различных частей тела и органов животных, которые проводят анатомы, также подтверждают идеи Дарвина.

Например, показано, что строение передних конечностей всех наземных позвоночных мало отличается друг от друга. И рука человека, и ласты кита, лапы крота и крокодила, крылья птиц и летучих мышей – все это лишь модификации одного и того же плана строения конечности.

Органы, которые развиваются из одинаковых эмбриональных зачатков и имеют, по-видимому, общее историческое происхождение, но порой разные функции, называются гомологичными.

По наличию у организмов разных групп гомологичных органов и по тем изменениям, которые эти органы претерпели, судят о степени родства между этими группами. В основе изменений органов лежит приспособленность к среде обитания.

Явление расхождения гомологических признаков в процессе эволюции называется дивергенцией.

Однако не всякое сходство свидетельствует в пользу родства. Органы могут выполнять сходную функцию, но при этом иметь совершенно разное строение. Вспомним крылья насекомых и птиц. И тот, и другой орган приспособлен к полету, но этим и ограничивается сходство.

Органы, имеющие внешнее сходство, вызванное сходными приспособлениями к сходным условиям жизни, но различное строение и происхождение, называются аналогичными.

Вот наиболее популярный пример – строение глаза млекопитающих и головоногих моллюсков. Эти глаза весьма похожи по своему строению, но сходство только видимое. Просто природа использовала в устройстве глаз этих животных сходные принципы. Аналогичные органы – это результат другого эволюционного процесса – конвергенции.

Конвергенция – это процесс схождения в результате эволюции признаков, которые имеют различное происхождение.

Наличие так называемых рудиментарных органов – это еще одно свидетельство в пользу эволюции, которое дает нам сравнительная анатомия. Рудиментарные органы – это недоразвитые органы предков. Например, только в теле человека их несколько десятков, таких как аппендикс или мышцы, способные двигать ушную раковину.

Бывает, правда, что у некоторых живых существ рудиментарные органы вдруг достигают нормальных размеров. Возврат к строению органа предковых форм называют атавизмом.

Например, время от времени у человека появляются хвостатые дети. У лошадей рождаются жеребята с сильно развитыми вторым и четвертым пальцем.

В) Эмбриологические доказательства.

Мощные доказательства в пользу теории Дарвина предоставляет наука о

зародышевом развитии организмов – эмбриология.

Все многоклеточные животные развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки. Вначале зародыш однослойный, затем он проходит стадии, когда состоит из двух и трех слоев, затем идет формирование органов из зародышевых листков. Сходство зародышевого развития животных, безусловно, свидетельствует о единстве их происхождения.

Особенно отчетливо это наблюдается в пределах отдельных типов и классов. Например, на ранних стадиях развития у зародышей позвоночных животных, таких как рыба, тритон, ящерица, курица, кролик и человек, наблюдается поразительное сходство. Это выражается, в частности, в том, что все без исключения формы позвоночных животных имеют на определенной стадии развития зародыша жаберные щели.

На основании данных эмбрионального развития немецкие ученые Фриц Мюллер и Эрнст Геккель во второй половине 19 века установили закон соотношения более известный под названием биогенетического закона.

Каждая особь в процессе индивидуального развития повторяет историю развития своего вида. Онтогенез – краткое повторение филогенеза.

Однако было бы наивно полагать, что за несколько месяцев зародыш скрупулезно проходит весь путь развития. В онтогенезе теряются некоторые этапы филогенеза. Кроме того, речь идет не о сходстве между взрослыми формами, а о сходстве эмбрионального развития. И все же филогенетический закон является, пожалуй, одним из самых впечатляющих доказательств эволюции.

Г) Биогеографические доказательства эволюции..

Немало доказательств дает изучение флоры и фауны различных континентов. Эта группа доказательств эволюции органического мира называется биогеографическими доказательствами.

Распространение животных и растений по поверхности нашей планеты – одно из самых ярких свидетельств эволюции. Выдающаяся роль в изучении и систематизации этой группы доказательств принадлежит соавтору Дарвина Альфреду Уоллесу. Он выделил шесть зоогеографических областей:

1) Палеоарктическую, охватывающую Европу, Северную Африку, Северную и Среднюю Азию, Японию; 2) Неоарктическую, включающую Северную Америку; 3) Эфиопскую, включающую Африку к югу от пустыни Сахара; 4) Индо-малайскую, охватывающую Южную Азию и Малазийский архипелаг; 5) Неотропическую, занимающую Центральную и Южную Америку; 6) Австралийскую, включающую Австралию, Новую Гвинею, Новую Зеландию, Тасманию, Соломоновы острова и Новую Каледонию. Степени различия и сходства между этими областями неодинаковы. Например, Палеоарктическая и Неоарктическая зоны отделены между собой довольно узким Беринговым проливом. Этот пролив зимой замерзает, а, кроме того, по-видимому, в недалеком прошлом его вообще не существовало. Поэтому флора и фауна Аляски и Чукотки имеют много общего. В то же время Неоарктические и Неотропические области существенно отличаются друг от друга, хотя связаны друг с другом Панамским перешейком. Это объясняется не только тем, что климат этих областей довольно разный, но и тем обстоятельством, что Панамский перешеек возник довольно недавно.

Еще один яркий пример – это фауна Австралии. Здесь, как в каком-нибудь «Парке третичного периода», сохранились сумчатые и яйцекладущие млекопитающие, которые практически везде на Земле исчезли. Это связано с тем, что Австралия, по-видимому, рано отделилась от других материков и здесь в условиях практически полной изоляции могли спокойно развиваться реликтовые животные, не испытывая давления естественного отбора.

Не менее интересные данные дает нам фауна и флора островов. Здесь четко прослеживается тенденция: чем древнее остров и чем более значительна водная преграда, тем больше обнаруживается отличий. Фауна Мадагаскара резко отличается от фауны Африки. Когда мы говорим «Африка», то невольно представляем неисчислимые стада антилоп, буйволов, слонов, за которыми охотятся львы или леопарды. Ничего этого на острове Мадагаскар нет, но здесь сохранилось огромное разнообразие полуобезьян или лемуров. В этом отношении Мадагаскар больше походит на полуостров Индостан. Некоторые ученые предполагают, что это является доказательством существования в глубокой древности материка, который они и называют Лемурия.

Классическим стал пример фауны Галапагосских островов, которую изучал ещё Дарвин во время знаменитого путешествия на корабле «Бигль». Эти острова населены, главным образом, птицами. Так вот, оказалось, что лишь 15% - птицы с ближайшего к Галапагосам континента – Южной Америки. 85% видов птиц – это эндемики, то есть виды, которые нигде на земном шаре не встречаются. Дарвин описал эволюцию южноамериканских вьюрков, которая имела место на Галапагосских островах. У этих видов имелись разные по форме и назначению клювы. Дарвин объяснял эти отличия географической изоляцией и приспособлением к условиям жизни на островах, которые довольно сильно отличались.

Д) Другие доказательства эволюционного процесса.

В последние годы теория эволюции получила подтверждение и на молекулярном уровне. Современные методы биохимии, молекулярной биологии и генетики позволяют исследовать различия в строении молекул разных организмов. Вначале удалось изучить последовательности белков разных организмов. Оказалось, что и на молекулярном уровне сохраняются те же тенденции, что наблюдаются на уровне анатомическом и эмбриологическом, то есть, чем ближе друг к другу по происхождению организмы, тем ближе химическое строение их белков. Например, у человека и шимпанзе аминокислотные замены в главнейших белках наблюдались в 10% случаев, а с гориллами разница составляла уже 15%.

Изучение ДНК различных организмов дает сходные результаты, то есть, чем дальше друг от друга в эволюционном отношении отстоят виды, тем меньше наблюдается гомологии в строении генов.

Таким образом, современная наука накопила немало доказательств в пользу протекания эволюционного процесса путем естественного отбора, так как изложенные факты предсказываются теорией Дарвина. В то же время современная теория эволюции смогла объяснить те факты и разрешить те трудности, которые во времена Дарвина наука не могла объяснить.

2. ПОНЯТИЕ ВИДА. МИКРОЭВОЛЮЦИЯ. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЕСТЕСТВЕННОМ ОТБОРЕ.

1. Вид и его критерии.

Создавая теорию эволюции, Дарвин руководствовался теми представлениями о виде, которые преобладали в 19 веке. Вид понимали, прежде всего, в линнеевском смысле, как морфологическую единицу. Но уже Дарвин столкнулся с проблемой видов-двойников, которые внешне похожи, но репродуктивно ограничены. Оказалось, что при всей кажущейся очевидности, понятие и определение вида достаточно сложно. Для того чтобы определить само понятие вида, в современной биологии используют, по крайней мере, шесть критериев вида.

В общей форме вид можно определить как группу особей, обладающих общими морфологическими свойствами, занимающих определенное пространство с определенными природными условиями, способных к скрещиванию друг с другом и биологически и репродуктивно изолированных от других таких же групп особей в природе.

Таким образом, выделяют морфологический, географический, экологический, этологический, биохимический и генетический критерии вида.

Дарвин и большинство систематиков 19 века за основу систематики принимали морфологический критерий вида. Морфологический критерий вида базируется на сумме внешних и внутренних признаков: размер тела, окраска, особенности внутреннего и внешнего строения. Однако, как уже подчеркивалось выше, существует проблема видов-двойников. Как оказалось эти весьма схожие в морфологическом отношении виды различны в генетическом смысле. Они не могут скрещиваться из-за разного набора хромосом.

Все прекрасно знают малярийного комара, переносящего возбудителя тяжелого инфекционного заболевания. Но мало кто предполагает, что под этим названием скрывается 15(!) разных видов комаров, причем, далеко не все способны переносить малярийного паразита. За названием «черная крыса» скрывается два вида-двойника. Одна черная крыса обитает в Европе, Африке, Америке, Австралии и Новой Зеландии, а другая ограничивает свой ареал Индокитаем, Китаем и Японскими островами.

Наличие видов-двойников указывает на то, что морфологический критерий вида недостаточен для его определения.

При использовании географического критерия вида, ученые исходят из того известного факта, что каждый вид занимает определенное пространство или ареал. В этом отношении виды бывают весьма не похожи. Одни занимают гигантский ареал, а другие являются эндемиками, то есть встречаются на ограниченной территории.

Характеристика ареала вида – это важнейший видовой признак, так как связаны с историей возникновения вида.

Однако существование видов-космополитов, занимающих гигантские пространства в биосфере, а также видов с совпадающими ареалами, указывает на то, что и географический критерий также может быть использован не всегда.

В основе экологического критерия лежат отличия различных видов по способам питания и местам обитания. Например, в средней полосе России обитает несколько видов синиц: лазоревка, московка, гаичка, большая синица. При этом каждая из них занимает свою экологическую нишу, и поэтому они не мешают друг другу. Это выражается в том, что данные виды синиц добывают себе разных насекомых и на разной территории. Однако и экологический критерий нельзя считать универсальным, так как в природе существуют виды – экологические двойники.

Этологический критерий опирается на поведение животных. Отличия в поведении могут быть непреодолимой преградой, например, при скрещивании особей разных видов. Однако и здесь нельзя говорить об универсальности, тем более что это касается исключительно животных.

Биохимический критерий, на первый взгляд, может служить универсальным способом определения вида. Однако здесь нас ждут трудности другого рода. Дело в том, что при изучении структуры белков и ДНК порой трудно провести грань между индивидуальными и видовыми различиями. Это тот случай, когда за частностями исчезает целое.

Генетическая обособленность вида, по-видимому, важнейшее свойство вида. Поэтому генетический критерий весьма важен. Действительно, особи разных видов не скрещиваются между собой, а если и скрещиваются, то не дают плодовитого потомства.

Однако и генетический критерий вида не является универсальным, так как плодовитые межвидовые гибриды все же бывают. В частности, у некоторых групп растений (семейство розоцветных) встречаются такие гибриды.

Таким образом, чтобы определить вид живого существа, нельзя пользоваться только одним критерием, необходим комплексный подход.

Особи любого вида никогда не распределяются внутри ареала равномерно. Например, кроты встречаются лишь на отдельных луговинах и опушках леса. Эти своеобразные острова не утрачивают связь между собой, так как периодически обмениваются генетической информацией. Группы особей, составляющие вид, называют популяциями.

2. Генетика популяций. (Микроэволюция).

Популяция – это достаточно многочисленная группа особей определенного вида, в течение длительного времени населяющая определенное пространство, внутри которого практически осуществляется та или иная степень свободного скрещивания и нет заметных изоляционных барьеров.

Вид может состоять из многих популяций, а может быть представлен из одной популяцией.

Развитие отрасли генетики, которая занимается популяциями, стало поворотным в истории науки. Основателем генетики популяций считается российский генетик Сергей Сергеевич Четвериков.

Генетика популяций – отрасль генетики, которая занимается механизмами эволюции внутри вида, то есть процессами микроэволюции. Иными словами, предметом генетики популяций является микроэволюция.

Давайте попытаемся разобраться в процессах, идущих внутри популяции. Для генетики популяций очень большое значение имеет понятие генофонда. Генофонд можно описать двумя способами либо частотами генов, либо частотами генотипов. Причем, для генетики популяций важна, прежде всего, частота генотипов. Исследуя этот показатель, английский математик Харди и немецкий врач Вайнберг открыли закон.

Суть закона Харди – Вайнберга может быть кратко сформулирована так: частоты доминантного и рецессивного аллелей идеальной популяции будут оставаться неизменными.

Опуская математическую сторону вопроса, распределение генов в идеальной популяции будет описываться следующим соотношением: 25% - гомозиготы по доминантному генотипу, 50% - гетерозиготы и 25% - гомозиготы по рецессивному генотипу. Иными словами, для генотипов в идеальной популяции будет выполняться менделевское распределение.

Ну а что же представляет собой эта идеальная популяция?

Идеальной может считаться популяция, в которой выполняются следующие условия: 1) размеры популяции достаточно велики;

2) спаривание происходит случайным образом;

3) новых мутаций не возникает;

4) все генотипы одинаково плодовиты;

5) поколения не перекрываются;

6) нет потока генов из других популяций.

Из закона Харди – Вайнберга следует, во-первых, что значительная доля имеющихся в популяции рецессивных аллелей должна находится в гетерозиготном состоянии. Во-вторых, лишь малая доля рецессивных аллелей выбрасывается из популяции в гомозиготном состоянии. В-третьих, гетерозиготы не гибнут.

Следствия из закона Харди – Вайнберга, да и условия существования идеальной популяции, указывают на то, что генетическое равновесие в популяциях – вещь хрупкая.

Если внимательно проанализировать условия существования идеальной популяции, то становится ясным, что в природе такие условия могут возникать крайне редко. На практике это означает, что в недрах популяции зреют процессы, ведущие к видообразованию.

Такими процессами или факторами эволюционного давления на популяцию являются: неслучайное скрещивание, мутационный процесс, генетический груз, дрейф генов, колебания численности популяций и, наконец, отбор.

В 1905 году Четвериков опубликовал работу, называемую «Волны жизни». В этой работе он впервые показал влияние колебаний численности популяций на эволюционный процесс. При этом он указал на периодический характер колебаний численности.

Численность один из факторов, ограничивающих стабильность популяции. Слишком низкая численность ведет к инбридингу и вырождению. В то же время, безграничное скрещивание изменяет генофонд популяции, дополняет его новыми мутациями. Когда популяция возвращается к прежней численности, то она будет иной.

Наблюдения показывают, что в популяциях редко наблюдается свободное скрещивание. У животных и растений существует много структурных и поведенческих механизмов, исключающих чисто случайный подбор родительских пар. Вот простой пример, более крупные цветки привлекают больше насекомых, стало быть, ни о каком случайном, а тем более равновероятном, скрещивании речь идти не может.

В популяции всегда существует некоторый уровень генетического груза. Под генетическим грузом понимают существование в популяции неблагоприятных аллелей. Чаще всего генетический груз выбрасывается из популяции, но иногда он может быть и полезен. Например, в районах распространения малярии ген серповидно-клеточной анемии дает селективное преимущество для людей – его носителей. Выживают гетерозиготные особи по этому гену, при этом, они устойчивы к малярии, а серповидно клеточной анемией не болеют. Таким образом, популяция несет генетический груз, который постоянно сохраняется под давлением отбора.

Немалую роль в судьбе популяции играет дрейф генов или генетико-автоматические процессы. Дрейф генов – это исчезновение или, наоборот, повышение частоты какого-либо аллеля, благодаря случайным событиям.

Дрейф генов характерен для популяций в отсутствие отбора. Причиной дрейфа генов может быть изоляция от других популяций данного вида. Здесь важную роль может играть «принцип основателя». Если, например, основатели популяции имели нетипичные распределения частоты аллелей, то это приводит к нетипичному распределению частоты аллелей у потомков. В конечном итоге при высокой степени изоляции, например, на острове, генетический дрейф может привести к образованию новых видов.

Вероятно, второе по значению место в эволюционном процессе занимает изоляция. Под изоляцией понимают возникновение любых барьеров, нарушающих свободный обмен генами, то есть панмиксию.

Выделяют два типа изоляции – географическую изоляцию и репродуктивную изоляцию.

Географическая изоляция связана с изменениями в ландшафте: образованием преград в виде рек, горных хребтов, лесных массивов, а также в силу большого расстояния между популяциями. Уже в 20-30-х годах ХХ века ареал соболя, который до этого занимал значительную часть Евразии, в связи с интенсивным промыслом распался на отдельные участки. Только благодаря усилиям отечественных охотоведов его удалось восстановить в первозданном виде.

Репродуктивная или биологическая изоляция приводит к нарушению скрещивания или препятствует воспроизведению нормального потомства. Различают три формы репродуктивной изоляции: эколого-этологическую, морфофизиологическую и генетическую.

При эколого-этологической изоляции свободное скрещивание между организмами нарушается в результате снижения вероятности встреч партнеров из разных популяций в период размножения и из-за различий в образе жизни и поведении.

При морфофизиологической изоляции изменяется не вероятность встречи полов, а вероятность оплодотворения.

Сущность генетической изоляции состоит в том, что при скрещивании форм с разными хромосомными наборами появляются гибриды со сниженной жизнеспособностью, плодовитостью или стерильные.

В популяциях, однако, существуют механизмы, которые как бы нивелируют действие изолирующих факторов и мутационного процесса – это так называемый поток генов.

Генный поток – это обмен генами между популяциями одного вида, в результате свободного скрещивания их особей. Результатом этого является перекомбинация генов на межпопуляционном уровне, что нивелирует действие мутационного процесса.

3. Формы естественного отбора.

Все названные факторы вносят свой вклад в эволюционный процесс, однако, их отличительной чертой является ненаправленность. Поэтому ни мутации, ни изоляция, ни дрейф генов, в отличие от естественного отбора, не могут носить творческий характер.

Главным фактором эволюции является естественный отбор.

Сущность естественного отбора состоит в избирательной рождаемости и избирательной смертности.

Для отбора важен, прежде всего, фенотип особи, так как он является результатом взаимодействия генотипа и среды. Поэтому хотя отбираются как будто бы фенотипы, на самом деле это приводит к отбору генотипов.

Естественный отбор – это дифференциальное размножение и дифференциальная смертность.

Может показаться, что в основе естественного отбора лежит эгоизм, киплинговский закон джунглей, когда каждая особь за себя. Но это не совсем так: ведь жертвует же птичка собой, отвлекая хищника от детенышей. Это, на первый взгляд, неразумное поведение вполне рационально, так как, защищая птенцов, птичка защищает свои гены. Естественный отбор направлен на отбор генотипов и, когда это нужно для сохранения генотипа, альтруизм побеждает эгоизм.

Говоря о естественном отборе, нельзя отбросить факт, что в разных случаях отбор действует по-разному.

В зависимости от направления, различают разные формы естественного отбора: движущий отбор, стабилизирующий отбор, дестабилизирующий отбор и дизруптивный (разрывающий) отбор.

Дарвин в «Происхождении видов» фактически описывает движущую форму отбора. Эта форма выявляется легче других.

Одним из примеров естественного отбора является, так называемый, промышленный меланизм.

Впервые это явление было описано в английском городе Манчестер. Бабочки березовой пяденицы обычно белые, чтобы птицы не замечали их на белой коре березы. Однако в промышленном Манчестере стволы деревьев стали черными от смога. В результате произошел отбор бабочек с более темной окраской, что спасло вид от полного вымирания в этом регионе.

Примеров движущего отбора много. Гораздо сложнее объяснить, как дожил до наших дней моллюск наутилус, раковины которого находят в геологических слоях таких далеких эпох, что голова идет кругом – 450 миллионов лет назад. Это явление объяснил наш соотечественник академик Иван Иванович Шмальгаузен. Он назвал его стабилизирующим отбором.

Стабилизирующий отбор – это форма отбора, направленная на сохранение вида в неизменном виде.

Стабилизирующая форма отбора направлена на сохранение генофонда вида. Вот почему резкие множественные изменения генотипа, как правило, летальны для его носителей.

Стабилизирующий отбор сужает норму реакции вида. Однако в природе нередки случаи, когда со временем норма реакции вида расширяется. В этом случае селективными преимуществами пользуются особи и популяции с большими экологическими возможностями. В менее заросших водоемах диапазон окрасок озерных лягушек более широк, так как имеются разные экологические условия освещенности. В то же время в водоемах с более однородной освещенностью диапазон изменчивости лягушек более узок.

Форма естественного отбора, ведущая к расширению нормы реакции, называется дестабилизирующей.

Наконец упомянем еще одну форму естественного отбора – дизруптивный или разрывающий отбор. Эта форма основана на таком явлении, которое называется полиморфизм. Полиморфизм – это существование двух или нескольких форм по тому или иному признаку. Причины полиморфизма могут быть разными. В частности, он может быть обусловлен повышенной жизнеспособностью гетерозигот. Дизруптивный отбор осуществляется в тех случаях, когда две или более, генетически различные формы обладают преимуществами в разных условиях, например в разные сезоны года. Хорошо изучен случай, когда в летний период выживают «черные» формы двухточечных божьих коровок, а в зимний период - «красные».

Граница между дарвинизмом или антидарвинизмом пролегает между признанием или непризнанием естественного отбора единственным творческим началом эволюции. Именно естественный отбор в комплексе с другими факторами эволюции создал все многообразие живых существ на Земле.

3. МАКРОЭВОЛЮЦИЯ. РАЗВИТИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА НА ЗЕМЛЕ.

1. Понятие прогресса и регресса в биологии.

До сих пор, говоря о механизмах эволюции, мы имели в виду, прежде всего, внутривидовой уровень. А как же происходит эволюционный процесс на надвидовом уровне. Это тем более актуально, в свете новых открытий, которые говорят о том, что эволюция не всегда носит дивергентный и постепенный характер. За последнее время накопилось все больше фактов, говорящих о том, что эволюция может происходить и скачками, то есть, минуя традиционные микроэволюционные пути.

Эволюционные процессы, идущие на надвидовом уровне, называются макроэволюцией.

Большой вклад в изучение макроэволюционных процессов внес выдающийся российский ученый Алексей Николаевич Северцов. Он впервые обратил внимание на неоднозначность эволюционного процесса. Северцов выделил понятия биологического прогресса и регресса, отделив их от морфофизиологического прогресса и регресса.

Биологический прогресс, согласно Северцову, означает победу систематической группы в борьбе за существование. Можно выделить несколько признаков, которые свидетельствуют в пользу прогрессивности данной систематической группы: увеличение численности особей, расширение ареала и распадение на подчиненные систематические группы.

Биологический регресс – это полная противоположность прогрессу: снижение численности группы, сужение ареала, гибель периферических популяций.

Деятельность человека способствует прогрессу одних групп и регрессу других. Так, например, крупные млекопитающие, такие как тигр и белый медведь плохо переносят соседство человека и их можно отнести к регрессирующим видам. Напротив, такие мелкие млекопитающие как серая крыса и домовая мышь, прекрасно уживаются с человеком.

Северцов выделил три направления биологического прогресса: ароморфоз, идиоадатация, общая дегенерация.

Пожалуй, главным путем достижения биологического прогресса является ароморфоз.

Ароморфозы – это, как правило, крупные изменения, которые приводят к возникновению признаков, повышающих уровень организации живых существ.

С ароморфозами, прежде всего, связаны эволюционные преобразования органов, систем органов, которые, например, позволяют сменить среду обитания, оказывают влияние на уровень обмена веществ и т. д.

Яркий пример ароморфоза – это эволюция сердца позвоночных животных. Трубчатое сердце ланцетника превратилось в двухкамерное сердце рыб, которое затем преобразовалось в трехкамерное сердце амфибий и рептилий и четырехкамерное сердце птиц и млекопитающих. Согласно законам развития параллельно шло развитие нервной системы.

Не менее впечатляющий путь прошли и растения. Ароморфозы позволили покинуть им водную стихию и выйти на сушу. К ароморфозам нужно отнести возникновение таких органов как корень, стебель, лист, цветок и другие.

Ароморфозы – это изменения широкого значения, они дают преимущества в борьбе за существование, позволяя занять новые места и среды обитания.

Образование пыльцевой трубки освободило процесс оплодотворения у растений от необходимости водной среды. Это позволило растениям распространиться на суше. А это в свою очередь привело к появлению целого спектра ароморфных признаков: проводящей системы стебля, устьиц на листьях и т. д.

Ароморфозам Северцов противопоставлял идиоадаптации.

Идиоадаптации – это частные приспособления, позволяющие освоить специфические условия среды.

Если ароморфозы связаны с морфофизиологическим прогрессом, то идиоадаптации обеспечивают биологический прогресс без повышения морфологической и физиологической организации живых существ.

Примером идиоадаптации является приспособление одного класса животных, скажем млекопитающих, к разным средам обитания.

Переход китообразных к жизни в воде – это яркий пример идиоадаптации. Вариации конечностей млекопитающих – ласты, крылья, копыта – все это идиоадаптации, то есть модификации одного и того же плана строения.

Биологического прогресса можно, однако, добиться еще одним, на первый взгляд парадоксальным путем, путем упрощений строения и функционирования тела. Это путь общей дегенерации.

Дегенерация, чаще всего, связана с переходом к паразитическому, а также к сидячему и пещерному образу жизни. Пещерные обитатели, обычно, не имеют глаз, а их покровы тела не имеют пигментации. Сидячие организмы утрачивают многие свои органы. Трудно, например, в таких странных существах, как оболочники, узнать хордовых животных. В то же время, на личиночной стадии эти животные имеют хорду.

Паразитические организмы сильно морфологически упрощены. Например, ленточные черви не имеют ни нервной, ни кровеносной, ни даже пищеварительной системы. Фактически, эти черви – машины по производству яиц. У них очень сложный цикл развития, который позволяет им выжить и обеспечить относительное процветание.

Таким образом, ароморфозы определяют новые пути эволюции, а идиоадаптации и общая дегенерация обеспечивают расширение эволюционного процесса.

Для макроэволюционного процесса характерны некоторые особенности. Во-первых, эволюционный процесс необратим. Это значит, что в сходных условиях возникают конвергентные формы, но это лишь видимое сходство. Дельфины и ихтиозавры похожи, но это разные по уровню организации животные. Во-вторых, эволюция идет неравномерно. Медленные этапы сменяются быстрыми. В-третьих, наблюдается постоянное ускорение эволюционного процесса. Этот последний факт ждет еще своего объяснения.

2. Развитие органического мира на Земле.

Ну, а теперь давайте совершим увлекательное, хотя и короткое, путешествие в прошлое нашей планеты.

По современным данным, история жизни на Земле насчитывает более 3.5 миллиардов лет. История Земли разбита на длительные промежутки времени, называемые эры. Эры подразделяются на периоды, периоды на эпохи, эпохи на века.

Разделение на эры и периоды не случайно. Окончание одной эры и начало другой знаменовалось существенными преобразованиями лика Земли, изменением соотношения суши и моря, интенсивными горообразовательными процессами.

Вот названия эр, все они греческого происхождения. Катархей – ниже древнейшей эры, архей – древнейшая эра, протерозой – первичная жизнь, палеозой – древняя жизнь, мезозой – средняя жизнь, кайнозой – новая жизнь.

А) Развитие жизни в катархее и архее.

Особенно трудно обнаружить следы жизни в катархее и архее. По-видимому, на границе этих эр возникла жизнь. В последние годы удалось обнаружить остатки древнейших микроорганизмов, которые ученые относят к самой заре жизни. Возраст этих геологических пород 3,5 миллиардов лет.

О жизни в архее мы знаем немного. По-видимому, первыми появились на Земле прокариоты – бактерии и цианобактерии. Эту последнюю группу организмов раньше относили к растениям, называя сине-зелеными водорослями. Продуктами жизнедеятельности этих примитивных живых существ были строматолиты – известковые осадочные породы.

В архее бактерии и цианобактерии были хозяевами Земли. Способность цианобактерий к фотосинтезу позволила насытить атмосферу Земли кислородом. Многие ученые считают, что накопление этого сильнейшего окислителя привело к первой глобальной экологической катастрофе. Развитие фотосинтетических систем повлекло за собой развитие аппарата дыхания. В процессе дыхания в качестве конечного окислителя стал использоваться кислород. И фотосинтез, и дыхание с помощью кислорода – это крупнейшие ароморфозы в эволюции нашей планеты.

Накопление кислорода в атмосфере привело к созданию озонового экрана, который защитил живые организмы от губительного космического излучения.

Б) Протерозойская и палеозойская эры.

Приблизительно 2,5 миллиарда лет назад на Земле наступила протерозойская эра, которая длилась 600 миллионов лет. Вначале это было царство прокариотических организмов. Однако приблизительно 1,3 миллиарда лет назад господство прокариотических организмов сменяется расцветом эукариотических организмов. Появляются зеленые и золотистые водоросли.

К концу протерозоя жизнь стала геологическим фактором, то есть живые организмы меняли форму и состав земной коры, сформировали биосферу.

К началу палеозойской эры жизнь миновала, возможно, самую трудную часть своего пути. В кембрийском периоде, который открывает палеозой, существовали, по-видимому, четыре царства живой природы.

Менее всего нам известна эволюция грибов. Это связано с крайней скудостью их палеонтологической летописи.

Развитие растений и животных тесно взаимосвязано. Спор о том, как и когда, произошло разделение животных и растений в процессе эволюции, и един ли у них корень, не утихает и сегодня. Существование организмов способных одновременно к гетеротрофному и автотрофному способам питания, по-видимому, указывает на общность происхождения растений и животных. Например, такие живые существа, как эвглена зеленая или вольвокс ботаники относят к зеленым водорослям, а зоологи – к типу простейших.

Из всех царств живой природы наиболее полно изучена эволюция животных, так как их геологическая летопись позволяет это сделать.

За всю историю животного мира на нашей планете возникло 35 типов, из которых 9 типов к настоящему времени вымерло, а 26 существуют до сих пор.

В кембрийском периоде климат на Земле был умеренным, а материки были низменными. Суша была освоена бактериями и цианобактериями, а фауна и флора развивались в океанах и морях. В это время вода в океанах стала все больше насыщаться солями.

Облик кембрийских морей определяли скелетные беспозвоночные животные. Это была вымершая группа членистоногих – трилобиты. Своеобразный тип животных архециат вымер к концу этого периода. Это были моря, где жили губки, кораллы, моллюски, иглокожие, но здесь не было хордовых животных, в том числе рыб.

Первые хордовые появились на рубеже ордовика и силура, то есть 400 миллионов лет назад. В конце силура произошло знаменательное событие – на сушу вышли первые растения. Это была вымершая ныне группа псилофитов. В девонском периоде завоевание суши растениями было продолжено.

В девонских морях царствовали рыбы. Среди них появилась группа кистеперых рыб, которые стали затем предками всех наземных позвоночных животных.

Конец палеозойской эры – каменноугольный и пермский периоды знаменуются завоеванием фауной и флорой суши. Этому способствовало сокращение морских бассейнов, связанное с активным горообразованием.

Выход растений на сушу связан с крупными ароморфозами – созданием проводящих систем, появлением корня, стебля и листа. У животных развились многочисленные приспособления, связанные с передвижением по суше, а также с дыханием атмосферным кислородом.

В) Мезозойская эра.

Конец палеозоя – это время гигантских папоротникообразные растений и амфибий – стегоцефалов. Но к концу этой эры климат становится более сухим и на смену палеозою приходит мезозой. Возможно, этот переход также носил характер глобальной катастрофы.

Мезозойская эра стала временем расцвета рептилий. Не было, пожалуй, ни одной экологической ниши, в которой мы находим ныне млекопитающих, и которую бы в мезозое ни занимали рептилии. В этих идиоадаптационных изменениях мы наблюдаем явный параллелизм и конвергенцию. Судите сами: экологическую нишу дельфинов занимали ихтиозавры, а экологическую нишу ластоногих – плезиозавры, на месте птиц и рукокрылых были летающие ящеры.

В юрском периоде на первый план выдвигается могучая группа динозавров. Эти гиганты будоражат наше воображение, так же как и будоражит воображение вопрос об их внезапной (по геологическим меркам, конечно) гибели.

Расцвет динозавров происходил параллельно с расцветом голосеменных растений, среди которых ведущее место занимала группа вымерших растений – беннетитов.

В меловом периоде, который венчает мезозойскую эру, наступает новый период горообразования. Возникают великие горные массивы Альпы, Анды, Гималаи. Климат становится более суровым. Сужаются площади морей. Гибнут гигантские ящеры, исчезают беннетиты, а им на смену приходят покрытосеменные растения и млекопитающие. Наступает кайнозой - эра новой жизни.

Г) Кайнозой.

Кайнозойская эра началась примерно 65 – 70 миллионов лет назад. Ученые делят её на два неравных периода: третичный и четвертичный.

Уже в третичном периоде млекопитающие стали господствующей группой на Земле. Этому способствовали такие ароморфозы, как плацента и гомойотермность, то есть способность поддерживать постоянную температуру тела. В новых, более суровых, условиях эти ароморфозы позволили им завоевать разные уголки нашей планеты от полярных областей до тропиков.

Правда, в первой половине третичного периода тропики и субтропики были распространены в умеренной зоне от Монголии до Венгрии. Однако к концу третичного периода климат стал меняться и начался четвертичный период. Это было в геологическом смысле относительно недавно 1 – 1.5 миллиона лет назад.

Четвертичный период начался плейстоценом – ледниковым веком. В течение этого века Евразия и Северная Америка четырежды подвергались оледенениям. Достаточно сказать, что линия ледника проходила по территории Украины и Ростовской области.

В течение четвертичного периода вымерли мамонты и саблезубые тигры, гигантские ленивцы и большерогие олени. Впервые к процессу вымирания приложил руку и человек. Древние охотники истребили мамонтов и шерстистых носорогов в Евразии. Они изменили, возможно, историю Америки, истребив лошадей.

Связывание воды в гигантских запасах льда вызвало существенное понижение уровня Мирового океана, что привело к образованию мостов между Америкой и Азией, Азией и островом Сахалин, Европой и Британским архипелагом.

12 – 20 тысяч лет назад наступает последний век – голоцен, в котором мы живем и поныне. Этот век становится веком безраздельного господства человека. Деятельность человечества становиться глобальным экологическим фактором, то есть человек способен влиять на облик и развитие Земли как планеты.

1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА.

1. Теории происхождения жизни.

А Основные теории происхождения жизни на Земле.

Наука пытается дать ответы на многие важнейшие вопросы, но, пожалуй, самыми интересными являются вопрос о происхождении жизни, а также вопрос, о происхождении разума и, в частности, человека. Надо сказать, что такие вопросы более всего вызывают энтузиазм у противников теории эволюции. По их мнению, теория эволюции не может удовлетворительно ответить на эти вопросы, а значит, она не верна.

Нет ни одного народа мира, в легендах которого не говорилось бы о происхождении мира. Например, древние греки считали, что мир возник из первичного хаоса. Хаос породил бессмертных богов и все живое. Боги же внесли в этот мир упорядоченность и наделили человека разумом.

После того, как христианство стало государственной религией Римской империи, официальной точкой зрения стало сотворение мира и всего живого Богом.

Этой точке зрения противостояла мысль о естественном зарождении жизни из неживой материи.

В настоящее время существует несколько теорий, объясняющих происхождение жизни на Земле:

1) креационизм – теория сотворения жизни;

2) теория панспермии;

3) теория биохимической эволюции.

Б) Креационизм и панспермия.

В начале ХХ века креационизм, казалось, был похоронен. Однако, после второй мировой войны в США образовалась группа ученых, которые пытаются доказать истинность библейских мифов о сотворении мира с научной точки зрения.

Креационисты пытаются опровергнуть теорию эволюции живых существ. Для этого они пытаются доказать, что Земля не такая древняя планета, а палеонтологические данные объяснить в стиле катастрофизма.

Они считают библию закодированным посланием от Творца и трактуют её первую книгу Бытия в терминах современной науки.

Думается, что исследования такого типа, при всей кажущейся архаичности и наивности, играют важное роль, так как вскрывают слабые места теории эволюции и теории происхождения жизни, которых, к сожалению, немало.

Другой альтернативой гипотезе происхождения жизни является гипотеза вечности жизни. Согласно этой гипотезе, жизнь во Вселенной существует вечно и переносится с планеты на планету с помощью метеоритов, комет или других космических тел. Эту гипотезу поддерживал, например, Владимир Иванович Вернадский.

Думается, что эта гипотеза ничего не объясняет и является отголоском того времени, когда эволюционные идеи не проникли в астрономию и астрофизику. Теперь считается, что Вселенная существует не вечно, а значит, на каком-то этапе её развития возникла жизнь. Гипотеза панспермии снимает этот вопрос с повестки дня, а точнее отодвигает его на неопределенное время. Модификацией этой гипотезы следует считать идею о посещении Земли инопланетянами, которые, так сказать, посеяли жизнь на нашей планете.

В) Абиогенная эволюция.

Среди ученых, пожалуй, самой популярной остается теория возникновения жизни абиогенным путем. В 20-х годах ХХ века российский ученый Александр Иванович Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в атмосфере Земли, которая 4 – 4,5 миллиарда лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Это предсказание Опарина нашло экспериментальное подтверждение, как в нашей стране, так и за рубежом. При пропускании электрического разряда, через смесь газов, которая моделировала атмосферу древней Земли, удалось получить абиогенным путем ряд простейших органических из неорганических веществ.

Согласно теории Опарина химическая эволюция прошла ряд этапов.

Первый этап происходил при формировании Земли как планеты. Именно тогда могли сформироваться первые углеводороды.

Спектральный анализ многих космических объектов показывает наличие простейших органических веществ необходимых для абиогенного синтеза аминокислот, нуклеотидов и других первичных кирпичиков жизни. Например, формальдегид, углекислый газ – самые распространенные в межзвездной среде соединения. Метан присутствует в атмосфере Солнца. В атмосфере Юпитера и его спутников обнаружен аммиак.

Второй этап абиогенной эволюции состоит в превращении исходных углеродистых соединений во все более сложные вещества.

Современные данные указывают на то, что при формировании планет образуются органические вещества, из которых затем могут синтезироваться более сложные органические соединения. Отсутствие озонового экрана дает энергию для такого синтеза, так как поверхность планет в этом случае подвергается воздействию жесткого космического излучения. Не исключено, что абиогенный синтез происходил в поверхностных слоях безжизненного тогда Мирового океана. Это привело к возникновению, так называемого первичного бульона.

Эти предположения также были подтверждены экспериментально.

Третьим этапом абиогенной эволюции было формирование в первичном бульоне так называемых пробионтов.

Пробионты – это многомолекулярные открытые системы, способные взаимодействовать с окружающей их внешней средой, расти и размножаться.

Наиболее перспективным объектом для моделирования пробионтов могут служить коацерватные капли или просто коацерваты. Коацерваты – это своеобразные сгустки, которые образуются в коллоидных растворах. Вам они хорошо известны – это капли жира в мясном бульоне. Коацерваты могут поглощать различные вещества. Под действием внешних сил коацерватные капли могут дробиться. Конечно, коацерваты – это только модели пробионтов.

Четвертый этап абиогенной эволюции связан с дальнейшим совершенствованием пробионтов – их обмена веществ, молекулярной структуры на основе предбиологического отбора, и образованием первичных организмов.

Особое значение в эволюции пробионтов сыграло формирование каталитических систем. До сих пор остается загадочным, как в этих условиях возникли комплексы матричного синтеза ДНК, РНК, как возникли рибосомы и так далее.

Подведем некоторый итог сказанному.

Если жизнь возникла абиогенным путем, этому процессу должна была предшествовать длительная химическая эволюция.
Возникновение жизни – это этап эволюции материи во всей Вселенной.
По-видимому, абиогенная эволюция происходила по следующей схеме: атомы объединялись в простые молекулы, которые образовывали макромолекулы; макромолекулы, образовали ультрамолекулярные структуры – пробионты, а те образовали простейшие организмы.
Первичная атмосфера Земли носила восстановительный характер, и поэтому первые организмы были гетеротрофы.
Дарвиновский принцип естественного отбора действовал и на предбиологическом уровне.
В настоящее время живое происходит только от живого, то есть биогенным путем.

Теория Опарина удовлетворяет далеко не всех ученых. Она не раз критиковалась с разных точек зрения. Зная лишь одну модель жизни, мы вряд ли можем дать однозначный ответ на вопрос о правильности или ошибочности этой теории.

2. Происхождение человека.

А) Доказательства происхождения человека от животных.

Вопрос о происхождении человека более частный, но не менее интересный. Существуют две версии происхождения человека. Первая – человек создан Богом по образу его и подобию. Вторая – человек продукт эволюции животных, в частности обезьян.

Доказательства животного происхождения человека скрыты в наших телах, развитии эмбрионов, в наших хромосомах.

Само строение нашего тела указывает на происхождение человека от животных. В нашем организме насчитывается несколько десятков рудиментарных черт и органов, таких как аппендикс или мышцы, с помощью которых наши предки умели двигать ушами.

Сравнительная анатомия указывает на то, что ближе всего к человеку стоят обезьяны. Именно к отряду приматов отнес человека ещё в 18 веке великий шведский натуралист и систематик Карл Линней.

Приматы – это отряд млекопитающих, которые приспособлены к жизни, главным образом, на деревьях. Они отличаются чертами, сближающими их с людьми: сильно развитыми полушариями головного мозга, хорошо развитой рукой, дифференцированной системой зубов, совершенными органами чувств, причем обладают цветным зрением.

Это отряд подразделяют на два подотряда: полуобезьян и настоящих обезьян. Обезьяны, в свою очередь, подразделяются на две группы – широконосые и узконосые. Широконосые обезьяны обитают в Новом свете, и поэтому их называют ещё обезьянами Нового света. Узконосые обезьяны обитают в Старом свете, их называют обезьянами Старого света. Наиболее близко к человеку стоит семейство человекообразных обезьян. В это семейство входят четыре рода: шимпанзе, гориллы, орангутанги и гиббоны.

Даже внешний облик человека и антропоидов имеет много общего: крупные размеры тела, длинные по отношению к туловищу конечности, длинная шея, широкие плечи, отсутствие седалищных мозолей, выступающий из полости лица нос, сходная форма ушной раковины и так далее. Тело антропоидов покрыто шерстью без подшерстка, через которую просвечивается кожа. Весьма схожа также мимика человекообразных обезьян и человека.

Есть значительное сходство и в строении внутренних органов: количество долей легких, число сосочков в почке, сходное строение гортани и многое, многое другое.

Очень близки антропоиды к человеку и по числу хромосом. Например, у человека их 46, а у антропоидов – 48. Хромосомы похожи по форме и размерам.

Сходство наблюдается и по физиологическим, и по биохимическим показателям. У антропоидов 4 группы крови, сходные белковые реакции. Такие важные белки как миоглобин и гемоглобин имеют очень близкую первичную структуру.

В то же время, было бы абсолютно неправильно считать, что между человеком и антропоидами нет существенных различий. Эти различия обусловлены, прежде всего, прямохождением. Позвоночник у человека S – образной формы, стопа имеет свод, что смягчает сотрясение при ходьбе и беге. При вертикальном положении тела таз человека принимает на себя давление внутренних органов. Вот почему таз человека низкий широкий и прочно сочленен с крестцом. Существенно изменилась и кисть. У человека большой палец лучше развит и сильнее противопоставлен другим пальцам руки. Поэтому рука человека способна осуществлять тонкие точные движения.

Наблюдаются различия и в строении черепа и мозга. Череп человека не имеет костных гребней и сплошных надбровных дуг. Мозговая часть черепа преобладает над лицевой, лоб высокий, а челюсти слабые.

Мозг у антропоидов напоминает мозг плода человека перед самым рождением. У взрослого человека головной мозг в 2 – 2,5 раза больше мозга человекообразной обезьяны.

Эти существенные различия указывают на то, что современные антропоиды, по-видимому, не могли быть прямыми предками человека.

Б) Антропогенез.

Дарвин впервые выдвинул идею о существовании переходных форм между человеком и животными. Так родилась идея происхождения человека от обезьян или симиальная теория антропогенеза. Согласно этой теории человек и современные антропоиды происходят от общего предка, жившего в эпоху неогена и представлявшего собой ископаемое обезьяноподобное существо. Это существо Эрнст Геккель назвал питекантропом.

В 1891 году голландский антрополог Эжен Дюбуа нашел на острове Ява останки живого существа, которые назвал питекантропом прямоходящим. Это было первое открытие в ряду выдающихся открытий ископаемых гоминид, антропоидов, древнейших и древних людей, которые были сделаны уже в ХХ столетии. Поиски переходных звеньев филогенетического ряда человека – это одна из наиболее драматических страниц в истории науки ХХ века.

В) Этапы антропогенеза.

В настоящее время принято считать, что формирование человека прошло четыре основные этапа в пределах семейства гоминид: предшественники человека, древнейший человек, древний человек и человек современного типа.

Примерно 25 миллионов лет назад от гоминоидов – высших узконосых обезьян – отделились две ветви. Эти ветви привели к образованию двух современных семейств – понгид и гоминид, давших начало возникновению

человека.

В миоцене на юге Азии, Европы и в Африке жили человекообразные обезьяны дриопитеки, которые считаются общими предками горилл, орангутангов и шимпанзе. От большинства из них сохранились только зубы и фрагменты челюстей, исследование которых показывает, что дриопитеки имели сходство, как с человекообразными обезьянами, так и с человеком. Это дало основание считать их предками как гоминид, так и понгид. Если понгидная ветвь пошла по пути приспособления к древесному образу жизни, то гоминидная приспособилась к жизни в открытых пространствах.

Следующим этапом истории гоминид были рамапитеки, названные так по имени индийского бога Рамы. Их останки обнаружены в Северной Индии. Рамапитеки обитали здесь в конце миоцена или начале плиоцена, примерно 12 – 14 миллионов лет назад. Судя по строению зубов, это были живые существа, более сходные с человеком, чем современные человекообразные обезьяны.

Рамапитеки, по-видимому, дали начало австралопитекам. На стадии австралопитеков начался, видимо, переход от животных к человеку.

Впервые австралопитеки были обнаружены в пустыне Калахари в 1924 году. Поэтому их и назвали австралопитеками, что означает южная обезьяна.

В последующие десятилетия находки скелетных останков австралопитеков делали достаточно часто. В настоящее время о жизни этих предков человека известно гораздо больше, чем о жизни рамапитеков и дриопитеков.

По большинству своих черт австралопитеки ближе стоят к человеку, чем любая из современных групп человекообразных обезьян. Их череп был сравнительно крупным, с более укороченным лицевым отделом, клыки выступали за уровень соседних зубов и были невелики по размерам.

Возможно, самой главной их особенностью была способность к прямохождению. На это указывает сходство их тазовых костей с человеческими костями.

Прямохождение явилось ответным приспособлением, связанным с изменением экологической обстановки. В Африке изменился климат: тропические леса уступили место саваннам. В этих условиях австралопитеки были беззащитны перед хищниками. Им важно было заблаговременно увидеть приближающегося врага, так как иначе убежать им было очень трудно. Способность встать на ноги и оглядеться стала для них жизненно необходимой. В отличие от своих предков, которые главным образом питались плодами, австралопитеки стали плотоядными животными, хотя и дополняли животную пищу растительной.

Прямохождение освободило руки для охоты и защиты. Кроме того, переход к животной пище и охоте заставил австралопитеков усложнить поведение.

Классические австралопитеки оказались, правда, лишь побочной ветвью эволюции. Они были недостаточно древними, чтобы считаться предками людей. Их возраст оценивался в 1 миллион лет.

Г) Рождение человека.

В 1959 году английский ученый Луис Лики обнаружил в Танзании древнейших людей. Он назвал их Homo habilis (хомо хабилис), что значит в переводе с латинского языка – человек умелый. Возраст этих людей был оценен в 2 миллиона лет.

Тот же Луис Лики через 10 лет обнаружил останки австралопитека возрастом 5,5 миллиона лет. По-видимому, какое-то время древнейшие люди жили одновременно с австралопитеками. Последние австралопитеки вымерли примерно 800 тысяч лет назад.

Где пролегла эта тонкая грань между человеком и обезьяной? Ответ на этот вопрос остается открытым. Главным критерием, по-видимому, является способность производить орудия труда.

Использовать в качестве орудий труда камни и палки могут и животные, но вот обрабатывать их, делать более приспособленными для тех или иных действий может только человек.

Человек умелый обрабатывал орудия труда уже 3 миллиона лет назад. На основе этого большинство исследователей считают его древнейшим из ныне обнаруженных обезьяноподобных людей.

Ископаемые останки человека умелого показывают, что и объемом мозга, и осанкой, и ростом он отличался от австралопитеков. Он был выше ростом и крупнее своих прямых предков.

Долог был процесс очеловечивания. Более миллиона лет назад появился новый вид – человек прямоходящий. К этому виду человека относится несколько подвидов или рас – питекантропы, синантропы, гейдельбергский человек и другие.

Главными отличиями этого вида человека были более высокий рост, прямая осанка, по-видимому, человеческая походка. Средний рост синантропов –150 см у женщин и 160 см у мужчин. У яванских питекантропов рост достигал 170 см. Рука была более развитой, чем у человека умелого, стопа приобрела сводчатость, а позвоночник образовал некоторый изгиб.

И все же это был ещё не совсем человек. У него был низкий покатый лоб с надглазничными валиками, массивная со скошенным подбородком челюсть, плоский небольшой нос. Однако, мы, вполне, можем считать его человеком, так как он имел сложный мозг, объемом 1400 кубических сантиметров. Левое полушарие было больше правого, так что, по-видимому, у него лучше развита правая рука.

Человек прямоходящий был охотником, причем, он охотился в коллективе, а это требует общения, то есть развития языка. Это был примитивный язык, но он давал этим людям шансы выжить.

Примерно 500 тысяч лет назад человек прямоходящий начал использовать огонь. Это было величайшее завоевание человечества. Огонь сделал человека более независимым от условий среды, позволил расселиться в разных климатических зонах.

Д) Древние люди.

Древние люди появились на территории Старого света около 300 тысяч лет назад. Мы называем их неандертальцами, так как впервые их останки обнаружили в долине реки Неандерталь вблизи Дюссельдорфа в Германии.

Для них характерны низкий покатый лоб, мощный надглазничный валик, сильно выступающий вперед, отсутствие подбородочного выступа, крупные зубы. Средний рост их был 160 см, мускулатура была необычайно развита, на что указывает необычайная массивность скелета. Мозг их по величине мало уступал мозгу современного человека. Это были так называемые классические неандертальцы.

Неандертальцы были неоднородным народом. Приблизительно тогда же, 300 тысяч лет назад, в Европе обитали неандертальцы, имевшие более высокий свод черепа, менее покатый лоб. Эта группа неандертальцев дала начало группе так называемых прогрессивных неандертальцев, которые обитали на Ближнем Востоке.

Очень многие археологические находки указывают на то, что неандертальцы и люди современного типа, кроманьонцы – это один вид – Homo sapiens – человек разумный.

О генетической связи неандертальцев и людей современного типа свидетельствуют и следы их деятельности.

Куда исчезли эти древние люди? Пожалуй, это один из самых трудных вопросов современной антропологии. Раньше на этот вопрос отвечали просто: неандертальцы превратились в людей современного типа. Однако открытия последних десятилетий указывают на то, что неандертальцы и люди современного типа сосуществовали какое-то время.

В вопросе перехода от неандертальца к человеку современного типа остается много неясного. В частности, как происходило вымирание неандертальцев? До сих пор находятся люди, которые считают, что неандертальцы могли сохраниться в труднодоступных районах Земли, например, в Гималаях.

Примерно 30 тысяч лет назад люди современного типа сменили неандертальцев. Обычно их называют кроманьонцами, так как впервые их останки были обнаружены во Франции в пещере Кроманьон.

Это были красивые люди с высоким лбом, на котором отсутствовал надглазничный валик. Нижняя челюсть имела такой же, как у любого современного человека, подбородочный выступ. Этот признак важен, так как указывает на развитие речевого аппарата. Объем мозга равен объему мозга неандертальца, но при этом у кроманьонца лучше развиты лобные доли. Скелет современного человека легче скелета неандертальца. Можно сказать, что за 40 тысяч лет физическое строение человека не претерпело существенных изменений. Развитие человека пошло по социальному пути.

Прародиной кроманьонцев считается Передняя Азия, откуда они распространились по всей Земле.

Так представляется теперь история развития человечества.

Раздел 5.Основы экологии.

Содержание раздела.

1. Предмет и задачи экологии.

2. Учение Вернадского о биосфере.

3. Экосистемы.

Предмет и задачи экологии.

Существование человека неразрывно связано с определенными условиями среды (температура, влажность, состав воздуха, качество воды, состав пищи и другие). Эти требования вырабатывались в течение многих тысячелетий существования человека. Понятно, что при резком изменении этих факторов или отклонении от нормы, требуемой организму, возможны нарушение обмена веществ и как крайний случай - несовместимость с жизнью человека. Невозможно охранять природу, пользоваться ею, не зная как она устроена, по каким законам существует и развивается, как реагирует на воздействие человека. Все это и является предметом экологии.

Термин "экология" предложен в 1869 г. Э. Геккелем (немецкий естествоиспытатель). От греческого "ойкос" -дом, "логос" - наука. Как научная дисциплина экология имеет более чем вековую историю. Систематические экологические исследования ведутся приблизительно с 1900 г. Основы экологии можно найти в научных трудах ученых прошлого века (Гумбольт, Ламарк, Северцев и др.). В развитие экологии значительный вклад внесли русские ученые Вавилов, Сукачев, Павловский, Шварц, Колесников и др. Особая заслуга принадлежит В. И. Вернадскому.

В современном понимании экология - наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Кроме того экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования

Выделяют экологию человека, животных, растений и микроорганизмов. В свою очередь эти группы можно исследовать на уровне особи или сообщества, а можно в воде, почве или атмосфере, в земных условиях или космических. Живые организмы обитают в условиях тропической, умеренной и полярной зон, а также в естественных, измененных или антропогенных (созданных человеком) системах, кроме этого можно учитывать загрязненность или незагрязненность среды.

Экология как наука основана на разных отраслях биологии (физиология, генетика, биофизика), связана с другими науками (физика, химия, математика, география, геология), использует их методы и термины. В связи с этим появились в последние годы понятия"географическая экология", "химическая экология", "математическая экология", "космическая экология", и "экология человека". Взаимоотношениями человека и машины в условиях промышленных предприятий занимается охрана труда.

Учение Вернадского о биосфере.

Перед современным обществом стоит задача сохранить природные богатства сегодня и предупредить отрицательные последствия в будущем. Для этого необходимо изучить многообразные процессы, постоянно протекающие в природе. Основой является учение о биосфере Земли.

Биосфера (био - жизнь) - часть Земли, в которой развивается жизнь организмов, населяющих поверхность ' суши, нижние слои атмосферы, и гидросферу.

Таким образом, биосфера включает в себя:

1) Живые организмы (растения, животные, микроорганизмы).

2) Тропосфера (нижний слой атмосферы).

3) Гидросфера (океаны, моря, реки и т.д.).

4) Литосфера (верхняя часть земной коры).

Возраст биосферы приблизительно 4млрд. лет.

Термин "биосфера" введен в 1875 г. австрийским геологом Зюссом. Основоположник современного учения - русский ученый Вернадский Владимир Иванович (1863 -1945 гг.).

Суть этого учения: биосфера - это качественно своеобразная оболочка Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов.

Биосфера представляет собой результат взаимодействия живой и неживой природы.

Элементы неживой природы связаны воедино с помощью живых организмов (рис.1).

Элементы неживой природы

Атмосфера

Гидросфера Живые организмы

Литосфера Биосфера

Рис. 1

Схема строения биосферы

Верхняя граница - озоновый слой

20000

Стратосфера

10000 Эверест (8848 м)

почва

Тропосфера

Литосфера Гидросфера

Филиппинская впадина (10830 м)

Нефтяные воды

(присутствие бактерий )

3000 Нижняя граница

Рис.2

Нижняя часть биосферы опекается на 3 км на суше и на 2 км ниже дна океана. Верхняя граница - озоновый слой, выше которого УФ излучения солнца исключают органическую жизнь. Толщина - несколько мм. Основой органической жизни является углерод (С).

Решающее значение в истории образования биосферы имело появление на Земле растений, которые в процессе фотосинтеза синтезируют органические вещества из и под действием солнечного света. В результате фотосинтеза ежегодно образуется 100 млрд. тонн органического вещества. Именно благодаря растениям на Земле получили развитие различные виды животных, и осуществляется обмен веществом и энергией между живой и неживой природой.

Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы являются кругооборот веществ и превращение энергии.

Вернадский выделяет в биосфере глубоко отличных и в то же время генетически связанных частей:

1) Живое вещество - живые организмы.

2) Биогенное вещество - продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефть и т.п.).

3) Косное вещество - горные породы (минералы, глины...).

4) Биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, ил, природные воды).

5) Радиоактивные вещества, получающиеся в результате распада радиоактивных элементов (радий, уран, торий и т.д.).

6) Рассеянные атомы (химические элементы), находящиеся в земной коре в рассеянном состоянии.

7) Вещество космического происхождения - метеориты, протоны, нейтроны, электроны.

Живое вещество - это совокупность и биомасса живых организмов в биосфере.

Таблица биомассы организмов Земли.

Среда	Организмы	Масса, 10¹² т	%
Суша	Растения	2,4	99,04
Суша	Животные	0,02	0,825
Океаны	Растения	0,0002	0,008
Океаны	Животные	0,003	0,124
Суммарный	Общая биомасса	2,4232	100

Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм и размеров. В настоящее время на Земле существует более 2 млн. организмов , из них 0,5 - растения, 1,5 - растения и микроорганизмы (из них 1 млн. насекомых).

В процессе развития биосферы выделяют 3 этапа :

1) Биосфера (где человек воздействовал на природу незначительно. Возраст человечества примерно 1,5 млн. лет).

2) Биотехносфера

Современная биосфера - это результат длительной эволюции органического мира и неживой природы. Человеческое общество - это один из этапов развития жизни на Земле. Деятельность человека следует рассматривать как составную часть биосферы. Техника - это качественно новый этап ее развития. Возникает вопрос - каким путем пойдет развитие человека и биосферы в будущем , какими средствами избежать необратимых последствий в природе. Предотвратить изменения невозможно. Очевидно , что следует научиться управлять процессами между человеком и природой так , чтобы они были взаимовыгодны.

3) Ноосфера - сфера разума.

Это понятие ввел французский математик и философ Ле-Руа в 1927 году, а обосновал Вернадский в 1944 г. Это высшая стадия развития биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни. Человек неразрывно связан с биосферой, уйти из нее не может. Его существование - есть функция биосферы, которую он неизбежно изменяет.

Классификация экологических факторов.

С экологических позиций среда - это природные тела и явления, с которыми организм находится в прямых ли косвенных отношениях. Окружающая организм среда характеризуется огромным разнообразием, слагаясь из множества динамичных во времени и пространстве элементов, явлений, условий, которые рассматриваются в качестве факторов.

Экологический фактор - это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы. В свою очередь организм реагирует на экологический фактор приспособительными реакциями.

Экологические факторы среды, с которыми связан любой организм, делятся на 2 категории:

1) Факторы неживой природы (абиотические)

2) Факторы живой природы (биотические)

Абиотические:

• климатические (свет, влага, давление, температура, движение воздуха)

• почвенные ( состав, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость)

• орографические (рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона)

• химические (составы газового воздуха , солевой состав воды, кислотность)

Биотические:

• фитогенные (растения)

• зоогенные (животные)

• микробиогенные (вирусы, бактерии)

• антропогенные (деятельность человека).

Абиотические факторы наземной среды.

1) Лучистая энергия солнца.

Солнечная энергия - основной источник энергии на Земле, основа существования живых организмов (процесс фотосинтеза).

Количество энергии у поверхности Земли -21*10кДж (солнечная постоянная) - на экваторе. Уменьшается к полюсам примерно в 2,5 раза. Также количество солнечной энергии зависит от периода года, продолжительности дня, прозрачности атмосферного воздуха (чем больше пыли, тем меньше солнечной энергии). На основе радиационного режима выделяют климатические пояса (тундра, леса, пустыни и т. д.) (солнечная радиация).

2) Освещение.

Определяется годовой суммарной солнечной радиацией, географическими факторами (состояние атмосферы, характер рельефа и т. д.). Свет необходим для процесса фотосинтеза, определяет сроки цветения и плодоношения растений. Растения подразделяются на:

• светолюбивые - растения открытых, хорошо освещаемых мест.

• тенелюбивые - нижние ярусы лесов (зеленый мох, лишайник).

• тепловыносливые - хорошо растут на свету, но и переносят затенение. Легко подстраиваются под световой режим.

Для животных световой режим не является таким необходимым экологическим фактором, но он необходим для ориентации в пространстве. Поэтому различные животные имеют различную конструкцию глаз. У беспозвоночных - самая примитивная, у других - очень сложная. У постоянных обитателей пещер может отсутствовать. Гремучие змеи видят ИК часть спектра, поэтому охотятся ночью.

3) Температура:

Один из важнейших абиотических факторов, прямо или косвенно влияющий на живые организмы.

Температура непосредственно влияет на жизнедеятельность растений и животных, определяя их активность и характер существования в конкретных ситуациях. Особенно заметное влияние оказывает t на фотосинтез, обмен веществ, потребление пищи, двигательную активность и размножение. Например, у картофеля максимальная продуктивность фотосинтеза при +20°С, а при t = 48°С полностью прекращается.

В зависимости от характера теплообмена с внешней средой организмы делятся:

• Организмы, t тела= t окр. среды, т.е. меняется в зависимости от t окр. среды, нет механизма терморегуляции (эффективного) (растения, рыбы, рептилии...). Растения понижают t за счет интенсивного испарения, при достаточном снабжении водой в пустыне - уменьшается t листьев на 15°С.

• Организмы с постоянной t тела (млекопитающие, птицы), более высокий уровень обмена веществ. Существует теплоизоляционный слой (мех, перья, жир), t=36-40°C.

• Организмы с постоянной t (еж, барсук, медведь), период активности - const t тела, зимняя спячка -значительно уменьшается (низкие потери энергии).

Также выделяют организмы, способные переносить колебания t0 в широких пределах (лишайники, млекопитающие, северные птицы) и организмы, существующие только при определенных t0 (глубоководные организмы, водоросли полярных льдов).

4) Влажность атмосферного воздуха.

Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (до высоты 2 км), где концентрируется до 50 всей влаги, количество водяного пара, содержащегося в воздухе, зависит от t воздуха.

5) Атмосферные осадки.

Это дождь, снег, град и т.д. Осадки определяют перемещение и распространение вредных веществ в окружающей среде. В общем кругообороте воды наиболее подвижны именно атмосферные осадки, т.к. объем влаги в атмосфере меняется 40 раз за год. Основными условиями возникновения осадков являются: t воздуха, движение воздуха, рельеф.

Существуют следующие зоны в распределении осадков по земной поверхности:

• Влажная экваториальная.

Осадков более 2000 мм/год, например, бассейны рек Амазонка, Конго. Максимальное количество осадков - 11684 мм/год - о. Кауан (Гавайские о-ва), 350 дней в году дождь. Здесь располагаются влажные экваториальные леса - самый богатый тип растительности (более 50 тысяч видов).

• Сухая зона тропического пояса.

Осадков менее 200 мм/год. Пустыня Сахара и т.д. Минимальное количество осадков - 0,8 мм/год -пустыня Атакама (Чили, Южная Америка).

• Влажная зона умеренных широт. Осадков более 500 мм/год. Лесная зона Европы и Северная Америка, Сибирь.

• Полярная область.

Незначительное количество осадков до 250 мм/год (низкая t воздуха, низкое испарение). Арктические пустыни с бедной растительностью.

6) Газовый состав атмосферы.

Состав ее практически постоянен и включает: N-78%, 0-20,9%, СО, аргон и другие газы, частицы воды, пыль.

7) Движение воздушных масс (ветер).

Максимальная скорость ветра примерно 400 км/час -ураган (штат Нью-Гемпшир, США).

Ветровой напор - направление ветра в сторону меньшего давления. Ветер переносит примеси в атмосфере.

8) Давление атмосферы.

760 мм ртутного столба или 10 кПа.

Абиотические факторы почвенного покрова.

Почва - это поверхностный слой земной коры, который образуется и развивается в результате взаимодействия растений, животных, микроорганизмов, горных пород и является самостоятельной экосистемой.

Важнейшим свойством почвы является плодородие, т.е. способность обеспечивать рост и развитие растений. Это свойство представляет исключительную ценность для жизни человека и других организмов. Почва является составной частью биосферы и энергии в природе, поддерживает газовый состав атмосферы.

Состав почвы: твердые частицы, жидкость (вода), газы (воздух- О, СО), растения, животные, микроорганизмы, гумус.

Толщина почвы; 0,5м - тундра, горы; 1,5м - на равнинах.

1 см почвы образуется примерно за 100 лет.

Типы почв:

1. Арктические и тундровые (гумус до 1 -3 %)

2. Подзолистые (хвойные леса, гумус до 4-5 %).

3. Черноземы (степь, гумус до 10 %).

4. Каштановые (в сухих степях, гумус до 4%).

5. Серо-бурые (пустыни субтропические пояса, гумус 1-1,5%).

6. Красноземы (влажный субтропический лес, гумус до 6 %).

Гумус - органическое вещество почвы, образующееся в результате биохимического разложения растительных и животных остатков, которое накапливается в верхнем слое почвы. Главный источник питания растений. В гумусе также накапливаются микроэлементы. В процессе эксплуатации почв количество гумуса уменьшается, поэтому необходимо вносить различные удобрения.

Физические свойства:

1. Механический состав - содержание частиц различного диаметра.

2. Плотность.

3. Теплоемкость, теплопроводность.

4. Влагоемкость, влагопроницаемость (у песка выше влагопроницаемость, у глины - влагопроницаемость).

5. Аэрация - способность насыщения почвы воздухом (рыхление почвы).

Химические свойства:

1. Химический состав:

· до 50 % SiO- кремнезем

· до 25 % AlO - глинозем

· до 10 %- оксиды Fe

· остальное - оксиды Са, К, Mg, Р и т.д.

2. Кислотность

3. Содержание вредных веществ (пестициды, тяжелые металлы и т.д.)

Влияние кислотности на растения:

• Обитают на кислых почвах (рН < 6,7) карликовая береза, хвощ, некоторые мхи

• Нейтральные (рН 6,7 - 7,0) большинство культурных растений

• На щелочных почвах (рН > 7,0) степные и пустынные растения (лебеда, полынь...)

• Могут расти на любой почве (ландыш, вьюн, земляника лесная)

Абиотические факторы водной среды.

Водная оболочка Земли называется гидросферой, и включает океаны, моря, реки, озера, болота, ледники и т. д. Вода занимает преобладающую часть биосферы Земли (71 % земной поверхности). Средняя глубина - 3554м, вес 0,022 % веса планеты, площадь - 1350 млн. кв. км -океаны, 35 млн. кв. км - пресные воды.

Абиотические факторы водной среды - это физические и химические свойства воды как среды обитания живых организмов.

Физические свойства:

1. Плотность.

Плотность как экологический фактор определяет условия передвижения организмов, причем некоторые из них (головоногие моллюски, ракообразные и т.д.), обитающие на больших глубинах, могут переносить давление до 400 - 500 атмосфер. Плотность воды также обеспечивает возможность опираться на нее, что особенно важно для бесскелетных форм (планктон).

2. Температура.

Изменение t° в зависимости от глубины и колебания (суточные и сезонные).

Температурный режим водоемов более устойчив, чем на суше, что связано с высокой теплоемкостью воды. Например, колебания t° верхних слоев океана -10-15°С, более глубокие слой 3 -4°С.

3. Световой режим.

Играет важную роль в распределении водных организмов. Водоросли в океане обитают в освещаемой зоне, чаще всего на глубине до 40 м, если прозрачность воды велика, то и до 200 м. У Багамских островов обнаружены водоросли на глубине 265 м, а туда доходит всего 5*10^-6 солнечной радиации.

С глубиной меняется и окраска животных. Наиболее ярко и разнообразно окрашены обитатели мелководной части океана. В глубоководной зоне распространена красная окраска, здесь она воспринимается, как черный цвет, что позволяет животным скрываться от врагов. В наиболее глубоководных районах Мирового океана в качестве источника света организмы используют свет, испускаемый живыми существами (биолюминесценция).

4. Подвижность - постоянное перемещение водных масс в пространстве.

5. Прозрачность.

Зависит от содержания взвешенных частиц. Самое чистое - море Уэддела в Антарктиде, видимость 80м (прозрачность дистиллированной воды).

Химические свойства:

1.Соленость воды - содержание растворенных сульфатов, хлоридов, карбонатов. В океане 35 г/л солей. Черное море - 19 г/л.

Пресноводные виды не могут обитать в морях, а морские - в реках. Однако, такие рыбы, как лосось, сельдь всю жизнь проводят в море, а для нереста поднимаются в реки.

2. Количество растворенного О и СО. О - для дыхания.

3. Кислая, нейтральная, щелочная среда.

Все обитатели приспособились к определенным кислотно-щелочным условиям. Их изменение в результате загрязнения может привести к гибели организмов.

Биотические факторы.

Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую природу.

Классификация биотических взаимодействий:

1. Нейтрализм - ни одна популяция не влияет на другую.

2. Конкуренция - это использование ресурсов (пищи, воды, света, пространства) одним организмом, который тем самым уменьшает доступность этого ресурса ддя другого организма.

Конкуренция бывает внутривидовая и межвидовая. Если численность популяции невелика, то внутривидовая конкуренция выражена слабо и ресурсы имеются в изобилии. При высокой плотности популяции интенсивная внутривидовая конкуренция снижает наличие ресурсов до уровня, сдерживающего дальнейший рост, тем самым регулируется численность популяции.

Межвидовая конкуренция - взаимодействие между популяциями, которое неблагоприятно сказывается на их росте и выживаемости. При завозе в Британию из Северной Америки каролинской белки уменьшилась численность обыкновенной белки, т.к. каролинская белка оказалась более конкурентоспособной.

Конкуренция бывает прямая и косвенная.

Прямая - это внутривидовая конкуренция, связанная с борьбой за место обитания, в частности защита индивидуальных участков у птиц или животных, выражающейся в прямых столкновениях. При недостатке ресурсов возможно поедание животных особей своего вида (волки, рыси, хищные клопы, пауки, крысы, щука, окунь и т.д.)

Косвенная - между кустарниками и травянистыми растениями в Калифорнии. Тот вид, который обосновался первым, исключает другой тип. Быстро растущие травы с глубокими корнями снижали содержание влаги в почве до уровня непригодного для кустарников. А высокой кустарник затенял травы, не давая им произрастать из-за нехватки света.

3. Паразитизм - один организм (паразит) живёт за счёт питания тканями или соками другого организма (хозяина), тесно связан в своём жизненном цикле. Паразитов различают по месту обитания:

• находятся на поверхности хозяина. Блохи, вши, клещи - животные. Тля, мучнистая роса - растения. У паразита имеются специальные приспособления (крючки, присоски и т.п.)

• внутри хозяина. Вирусы, бактерии, примитивные грибы - растения. Глисты - животные. Высокая плодовитость. Не приводят к гибели хозяина, но угнетают процессы жизнедеятельности

4. Хищничество - поедание одного организма (жертвы) другим организмом (хищником).

Хищники могут поедать травоядных животных, и также слабых хищников. Хищники обладают широким спектром питания, легко переключаются с одной добычи на другую более доступную.

Хищники часто нападают на слабые жертвы. Норка уничтожает больных и старых ондатр, а на взрослых особей не нападает.

Поддерживается экологическое равновесие между популяциями жертва-хищник.

5. Симбиоз - сожительство двух организмов разных видов при котором организмы приносят друг другу пользу. По степени партнерства симбиоз бывает:

Комменсализм - один организм питается за счет другого, не нанося ему вреда. Рак - актиния. Актиния прикрепляется к раковине, защищая его от врагов, и питается остатками пищи.

Мутуализм - оба организма получают пользу, при этом они не могут существовать друг без друга. Лишайник - гриб + водоросль. Гриб защищает водоросль, а водоросль кормит его.

В естественных условиях один вид не приведёт к уничтожению другого вида.

Экосистема.

Экосистема - это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом.

Термин предложен в 1935 году английским экологом Тексли. Самая большая экосистема - биосфера Земли, далее по уменьшению: суша, океан, тундра, тайга, лес, озеро, пень от дерева, горшок с цветами.

1. Экосистема океана.

Одна из самых больших экосистем (94 % гидросферы). Жизненная среда океана непрерывна, в ней отсутствуют границы, препятствующие расселению живых организмов (на суше граница - океан между материками, на материке - реки, горы и т.п.). В океане вода находится в постоянном движении. Существуют горизонтальные и вертикальные течения. В воде растворено - 48-10 т солей.

Эти физико-химические особенности создают благоприятные условия для образования и развития разнообразных организмов. В океане насчитывается:

• 160 000 видов животных (80 тыс. моллюсков, 20 тыс. ракообразных, 16 тыс. рыб, 15 тыс. простейших).

• 10 000 видов растений. В основном различные виды водорослей.

Однако органическая жизнь распределяется по горизонтали и вертикали неравномерно. В зависимости от а биотических факторов (световой режим, t, солёность и т.д.) океан подразделяют на несколько зон.

* В зависимости от освещения:

• верхняя освещаемая - до 200 м (эвфотическая)

• нижняя, лишённая света - свыше 200 м (афотическая)

* Экосистема океана также делится на:

• толща воды (пелагиаль)

• дно (бенталь)

* В зависимости от глубины:

• до 200 м (литоральная зона)

• до 2500 м (батиальная зона)

• до 6000 м (абиссальная зона)

• более 6000 м (ультраабиссальная зона)

В открытом океане по сравнению с прибрежной зоной пища менее сконцентрирована, поэтому здесь разнообразны активно плавающие организмы (рыбы, кальмары, акулы, киты и т.д.).

Пищевая цепь: фитопланктон - зоопланктон - планктоноядные рыбы - хищные рыбы - детритофаги (бактерии, которые живут в основном на дне).

2. Прибрежная зона.

Прибрежная зона имеет оптимальные условия для жизни по сравнению с открытым океаном (свет, t, достаточное количество питательных веществ и др.) - поэтому здесь наблюдается максимальное видовое разнообразие флоры и фауны (до 80 %).

Пищевая цепь: аналогично п. 1.

3. Глубоководная рифтовая зона океана.

Открыта в 1977 году в зоне подводного хребта Тихого океана к северо-востоку от Галапагосских островов. Здесь на глубине 2600 м существуют «оазисы жизни» - гигантские черви (до 1,5 м), крупные белые моллюски, креветки, крабы, отдельные виды рыб. Поражает очень высокая плотность биомассы -до 15 кг/м, в других местах на такой же глубине - до 0,01 кг/м (в 1500 раз больше).

Глубоководная зона характеризуется полной темнотой, огромным давлением. Адаптация - редукция плавательного пузыря, органов зрения, развитие органов свечения и т.п.

Рифтовая зона - кроме полной темноты, высокое содержание сероводорода и ядовитых металлов, имеются выходы термальных источников. Аналогичные участки встречаются в других районах океана.

В данной экосистеме серные бактерии играют роль растений, используя вместо солнечного света сероводород и соединения серы (хемосинтез).

Серобактерии - первое звено в пищевой цепи, далее - погонофоры, внутри тела которых обитают бактерии, перерабатывающие сероводород и поставляющие организму необходимые питательные вещества. Также в симбиозе с серобактериями существуют моллюски.

4. Пресноводная экосистема. Например: пруд.

Пищевая цепь: зелёные растения (кувшинки, кубышка, тростник), водоросли фитопланктона - зоопланктон (ракообразные) растительноядные рыбы - хищные рыбы (карп) - хищные рыбы (щука).

5. Экосистема пустыни. Осадки менее 250 мм/год

Распространение: Африка (Сахара), Ближний Восток, Центральная Азия, юго-запад США и т.д. Климат: очень сухой, жаркие дни, холодные ночи

Бывают:

-песчаные (Кара-Кум) -тропические

-каменистые (Сахара) -умеренные

-глинистые (Гоби) -арктические

Растительность: редкостойный кустарник, кактусы, низкие травы, быстро покрывающие землю цветущим ковром после дождей. У растений обширная поверхностная корневая система, перехватывающая влагу редких осадков, или стержневые корни, проникающие до грунтовых вод (30 м. и более).

Животный мир; разнообразные грызуны (суслик, тушканчик), ящерицы, змеи, орлы, грифы, много мелких птиц, насекомые. Особенности: занимают 1/3 поверхности и площадь их возрастает.

6. Саванны.

Осадки - 750 - 1650 мм/год, главным образом во время сезонных дождей.

Распространение - субэкватриальная Африка, Южная Америка, юг Индии.

Климат - сухой, жаркий, большую часть года обильные дожди в течении влажного сезона.

Растительность - трава с редкими листопадными деревьями (акация, кактусы).

Животный мир - крупные растительноядные животные - зебры, антилопы, жирафы, хищники - львы, леопарды, гепарды, термиты (детритофаги).

7. Степи. Осадки - 250 - 750 мм/год

Распространение - центр Северной Америки, Россия, отдельные районы Африки, Австралии.

Климат - сезонный. Лето - от умеренно тёплого до жаркого. Зима -t<0C.

Растительность - травы (до 2 м. в Северной Америке или <0,5 м. в России) отдельные деревья, кустарники

Животный мир - крупные травоядные - бизоны, антилопы, дикие лошади, кенгуру) жирант , зебры, хищники - львы , леопарды, гепарды, гиены, птицы, мелкие роющие млекопитающие - кролик, суслик.

Особенности - большинство степей превращено в с/х поля -кукуруза, пшеница, соя, пастбища - овцы, рогатый скот.

8. Тропические влажные леса. Осадки - более 2400 мм/год, почти каждый день дождь.

Распространение - север Южной Америки, Центральная Америки, экваториальная Африка, юго-восточная Азия.

Климат - без смены сезонов, среднегодовая температура приблизительно равна 28 С.

Растительность - Самая большая по разнообразию видов и биомассе растений экосистема. Леса с деревьями до 60м. и выше (красное дерево, шерстяное, шоколадное, бальзовое, леопардовое дерево, сандал). На стволах, ветвях - лианы.

Животный мир - очень разнообразен. Обезьяны, змеи, ящерицы, белки-летяги, лягушки, пауки, муравьи, попугаи, колибри, насекомые (много).

Особенности - почвы бедные, большая часть питательных веществ содержится в биомассе поверхностно укоренённой растительности.

9. Лиственные леса. Осадки - 750 -2000 мм/год.

Распространение - восток Северной Америки, Европа, Россия.

Климат - сезонный. Зимние t<0, хотя не ниже -12 С.

Растительность - листопадные деревья. Характеризуются многоярусностью. Деревья - дуб, липа, клён, ясень ... Кустарники, травы, мхи, лишайники.

Животный мир - олень, косуля, кабан, заяц, ёж, волк, лиса, рысь. Птицы - тетерев, глухарь,рябчик, дрозд, дятел, синица, сова, сокол В почве - кроты, землеройки, черви ,нематоды, клещи...

Особенность - адаптация к сезонному климату - сброс листьев, зимняя спячка, миграция в тёплые страны.

10. Тайга. Осадки - 250 - 750 мм/год.

Распространение - северные районы Северной Америки, Европы, Азии.

Климат - сезонный. Долгая холодная зима, много осадков в виде снега (сохраняет тепло в почве).

Растительность - вечнозелёные хвойные - кедр, сосна, ель, пихта, лиственница.

Животный мир - травоядные - лось, олень, заяц, белка, грызуны. Хищники - рысь, волк, лиса, медведь, норка, росомаха. Множество птиц - рябчик, глухарь, дятел ... Кровососущие - 40 видов мошек.

Особенности - много озёр и болот, толстая подстилка из хвои.

11. Тундра.

Осадки - менее 250 мм/год.

Распространение - север Евразии и Северной Америки.

Климат - сезонный. Очень холодная длинная зима (полярная ночь). Среднегодовая температура ниже -15 С. Летом вечная мерзлота оттаивает всего на метр.

Растительность - мхи, лишайники, травы, низкорослые кустарники (адаптация - холодостойкость), голубика, морошка, брусника.

Животный мир - мелкие млекопитающие сурки, суслики, лемминги. Хищники - песец, горностай, волк, сова. Северный олень, зайцы. Множество птиц - гуси, куропатки, утки, кулики. Комары, оводы, пауки.

Особенности - болотистые почвы.

Все экосистемы взаимосвязаны и взаимозависимы.

Люди со своими культурными растениями и домашними животными образуют экосистему человека, которая взаимодействует со всеми другими экосистемами планеты..

Биотическая структура экосистемы.

Несмотря на громадное разнообразие экосистем - от тропических лесов до пустынь, леса, болота, озера, по мнению экологов им свойственна одинаковая биотическая структура. Все экосистемы включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующих друг с другом, стереотипным образом. Это следующие категории: зелёные растения, консументы, детритофаги.

1. Зелёные растения.

Это в основном зеленые растения (одноклеточные водоросли, травы, деревья, и т.д.).

Фотосинтез - это химическая реакция, протекающая при участии хлорофилла клетки зеленых растений за счет солнечной энергии. СО₂ из воздуха, Н₂О из почвы и солнечная энергия - получается глюкоза ( простейший из Сахаров) и О. Фотосинтез идет в каждой клетке зеленых листьев.

6СO₂+6 Н₂O + Q= C₆H₁₂O₆+6O₆

О₂ выделяется в атмосферу. Из глюкозы и минеральных элементов из почвы растения синтезируют сложные вещества, входящие в состав организма (белки, жиры, углеводы, ДНК и т.д.).

Т.о. растения продуцируют сложные органические соединения из простых неорганических (СO, НО). При этом солнечная энергия накапливается в органических соединениях наряду с химическими элементами.

2. Консументы.

Животные питаются органическими веществом, используя его как источник энергии и материал для формирования своего тела. Т.е. зелёные растения продуцируют пищу для других организмов экосистемы. К консументам относятся рыбы, птицы, млекопитающие ... и человек. уровням

Животные, питающиеся непосредственно растениями, называются первичными консументами (растительноядные). Их самих употребляют в пищу вторичные консументы (хищники). Бывают консументы третьего, четвёртого и более высоких порядков. Заяц ест морковь - первичный консумент, лиса, съевшая зайца - вторичный консумент. Человек - ест овощи - первичный консумент, а мясо - вторичный, хищную рыбу (щуку) - третьего порядка. Т.е. организм может соответствовать различным и называется- всеядный.

3. Детритофаги.

Это организмы, которые питаются мёртвыми растительными и животными остатками (опавшие листья, фекали, мёртвые животные - это называется детрит).

Это грифы, гиены, черви, раки, термиты, муравьи, грибы, бактерии и т.д. Их главная роль - питаясь мёртвой органикой детритофаги разлагают её. Отмирая, сами становятся частью детрита.

Некоторые организмы не укладываются в эту схему. Например: насекомоядные растения. Они улавливают насекомых, частично переваривают их с помощью ферментов и органических кислот, в результате чего восполняют недостаток азота и других питательных веществ. В России - 20 видов (венерика мухоловка, саррацения, росянка). Обитают в местах с недостатком N, Р, К (болота - очень бедны питательными веществами).

Пищевая сеть. Трофические уровни.

При изучении биотической структуры экосистемы становится очевидным, что одно из важнейших взаимоотношений между организмами - это пищевое. Можно проследить бесчисленные пути движения вещества в экосистеме, при котором один организм поедается другим, а тот - третьим и т.д.

Пищевая цепь - это путь движения вещества (источник энергии и строительный материал) в экосистеме от одного организма к другому.

Растение корова

Растение корова человек

Растение кузнечик мышь лиса орёл

Растение жук лягушка змея птица

обозначает направление движения.

В природе пищевые цепи редко изолированы друг от друга. Гораздо чаще представители одного вида (растительноядные) питаются несколькими видами растений, а сами служат пищей для нескольких видов хищников. Перенос вредных веществ в экосистеме.

Пищевая сеть - это сложная сеть пищевых взаимоотношений.

Детритофаги

Орёл Детритофаги V

Лиса Человек Орёл Детритофаги IV

Мышь Заяц Корова Человек Детритофаги III

Пшеница Трава Яблоня I

Несмотря на многообразие пищевых сетей, они все соответствуют общей схеме: от зелёных растений к первичным консументам, от них к вторичным консументам и т.д. и к детритофагам. На последнем месте всегда стоят детритофаги, они замыкают пищевую цепь.

Трофический уровень - это совокупность организмов, занимающих определённое место в пищевой сети.

I трофический уровень - всегда растения,

II трофический уровень - первичные консументы

III трофический уровень - вторичные консументы и т.д.

Детритофаги могут находиться на II и выше трофическом уровне.

Обычно в экосистеме насчитывается 3-4 трофических уровня. Это объясняется тем, что значительная часть потребляемой пищи тратится на энергию (90 - 99 %), поэтому масса каждого трофического уровня меньше предыдущего. На формирование тела организма идет относительно немного (1 - 10 %.Соотношение между растениями, консументами, детритофагами выражают в виде пирамид.

Пирамида биомассы - показывает соотношение биомасс различных организмов на трофических уровнях.

Пирамида энергии- показывает поток энергии через экосистему. (см.рис.)

Очевидно, что существование большего числа трофических уровней невозможно, из-за быстрого приближения биомассы к нулю.

III 3,5 дж вторичный консумент (волк)

II 500 дж первичный консумент (корова)

I 6200 дж растения

2,6*10дж поглощено солнечной энергии

1,3*10дж падает на поверхность земли на

некоторую площадь

Пирамида энергии

III 10 кг лиса (1)

II 100 кг заяц (10)

I 1000 кг растения на лугу (100)

Пирамида биомассы.

Автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы - это организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений, используя солнечную энергию.

К ним относятся растения ( только растения). Они синтезируют из СО, НО (неорганические молекулы) под воздействием солнечной энергии - глюкозу (органические молекулы) и О. Они составляют первое звено в пищевой цепи и находятся на 1 трофическом уровне.

Гетсротрофы - это организмы, которые не могут строить собственное тело из неорганических соединений, а вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу.

К ним относятся консументы и детритофаги. И находятся на II и выше трофическом уровне. Человек тоже гетеротроф.

Вернадскому принадлежит идея, что возможно превращение человеческого общества из гетеротрофного и автотрофное. В силу своих биологических особенностей человек не может перейти к автотрофности, но общество в целом способно осуществить автотрофный способ производства пищи, т.е. замена природных соединений (белки, жиры, углеводы) на органические соединения, синтезированные из неорганических молекул или атомов.

Изменение вещества и энергии в организмах.

Зелёные растения.

В растениях происходит процесс фотосинтеза, при котором из СО, НО и солнечной энергии получаются глюкоза и О. При этом солнечная кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию молекул глюкозы. Глюкоза - это органическая молекула с высокой потенциальной энергией. Из солнечной энергии около 2 % превращается в потенциальную энергию молекул глюкозы.

Глюкоза в растениях выполняет 2 функции:

1. Служит строительным материалом тела, т.е. из глюкозы образуются сложные органические молекулы (крахмал, целлюлоза, липиды, белки, нуклеиновые кислоты).

2. Источник энергии для всех процессов жизнедеятельности растений, т.е. построение тканей, поглощение питательных элементов из почвы, дыхание.

Фотосинтез Глюкоза

Клеточное Строительство

СО дыхание тканей

Энергия

СО

Заяц Лиса

НО скременты

С₆Н₁₂О₆ + О₂ Þ 6СО₂ + 6H₂О + Q

Процесс расщепления органических молекул с выделением энергии называется клеточным дыханием. Т.е. молекула глюкозы в присутствии кислорода разрушается до ÑО, НО с выделением энергии. Данный процесс идёт в каждой клетке и в целом противоположен фотосинтезу.

Травы - энергия 40-50%

Деревья - 70-80% (в основном на дыхание)

Продуктивность экосистем, т/м²×год:

• Влажные тропические леса - 2200 , лиственные леса – 1200, тайга – 800, тундра – 140, пустыни - 90, озера, реки - 250, океан - 80

Т.о. только часть глюкозы используется растением для своего роста, а другая часть вновь разрушается с выделением энергии, необходимой для протекания физиологических процессов.

Консументы.

Животным свойственна активная выработка кинетической энергии (движение, бег, поддержание постоянной температуры тела, дыхание и т.д.). Источник энергии - потенциальная энергия органических молекул, потребляемых в составе пищи. Значительная часть пищи (90 - 99 %) разрушается с высвобождением энергии, обеспечивающий все функции организма и теряющейся в конце концов в виде выделяемого телом тепла.

Строительная роль пищи.

Часть съеденной, переваренной и поступившей в кровь пищи служит сырьём для роста и обновления тканей тела. Для этого также необходимые определённые витамины и микроэлементы (Fe, Си, Mn, Zn). Если в пище нет какого-либо из необходимых ингредиентов, сколько бы калорий не содержала пища, неизбежны функциональные расстройства.

Неусвояемое вещество.

Часть пищи не переваривается и просто проходит через пищеварительный тракт и выводится в виде фекалий или экскрементов.

Детритофаги - аналогично консументам.

рост тканей тела .

Пища клеточное дыхание О

органическое (энергия) вещество с высокой

потенциальной энергией СО

НО, N, Р ... (с мочой)

экскременты

Т.о. происходит превращение энергии из одной формы в другую, а именно солнечной энергии в потенциальную энергию, запасаемую растениями, а её-в другие виды по мере прохождения по пищевой цепи. На каждом трофическом уровне часть потенциальной энергии пищи расходуется на жизненные функции и часть теряется в виде тепла. Т.е. происходит поток энергии через систему.

Зелёные Первичные Вторичные

растения консументы консументы

Детритофаги

Минеральные

вещества Тепло

энергия

---- вещество

Принцип функционирования экосистем.

1. Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках кругооборота всех элементов. Мы видим как четко взаимодействуют растения, консументы и детритофаги, поглощая и выделяя различные вещества. Органика и кислород, образуемые при фотосинтезе в растениях, нужны консументам для питания и дыхания. А выделяемый консументами СО и минеральные вещества мочи - необходимы растениям.

2. Экосистемы существуют за счёт не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Солнечная энергия химическая потенциальная энергия растений (передаётся по пищевым цепям) теряется в виде тепла

Избыток- растения используют 0,5% от падающей на Землю

Вечная - несколько млрд. лет

3. Чем больше биомасса популяции, тем ниже занимаемый его трофический уровень (99 % на энергию).

Закон лимитирующего фактора.

Для разных видов растений и животных условия, в которых они особенно хорошо себя чувствуют, неодинаковы. Например, одни растения предпочитают очень влажную почву, другие - сухую. Одни требуют сильной жары, другие лучше переносят более холодную среду и т.п. В лабораторных экспериментах эти различия проявляются особенно четко.

Проведены следующие лабораторные исследования. Растения выращивают в различных камерах, где контролируются все абиотические факторы. При этом один фактор изменяется, а остальные остаются неизменными. В данном случае изменяется температура / Результаты показывают, что по мере повышения температуры от некоторой величины, ниже которой рост вообще не возможен,,. растение развивается всё лучше и лучше, пока скорость роста не достигнет максимального значения. При дальнейшем повышении температуры растение будет чувствовать себя всё хуже и хуже и в конечном итоге погибнет. Графически это можно изобразить следующим образом .

Скорость

роста

t,С

8 18 28 38

Зона Зона Зона

стресса оптимума стресса

Диапазон устойчивости

Нижний предел Верхний предел

У каждого фактора, влияющего на рост, размножение и выживание организма, есть оптимум, зона стресса и далее зона, в которой существование данного организма не возможно.

Зона оптимума - это обычно диапазон температур, а не конкретная величина т.е. диапазон температур, при которых максимальна скорость роста.

Слева и справа от зоны оптимума находятся зоны стресса, в них растение испытывает стресс с скорость роста резко уменьшается.

Диапазон устойчивости - диапазон температур, в котором возможен рост растения.

Предел устойчивости - минимальная и максимальная температура пригодная для жизни.

Сходные эксперименты можно провести и дня проверки влияния других факторов, причём результаты графически всегда одинаковы.

Подобные эксперименты показывают, что виды могут существенно различаться с точки зрения оптимальных условий и пределов устойчивости. Например, количество воды оптимальное для одного вида вызывает стресс у другого и приводит к гибели третий вид. Некоторые растения вообще не переносят заморозков (t<0°C), это ведёт к их гибели, другие растения способны выжить при небольших холодах, а есть растения, для которых несколько недель отрицательных температур - необходимое условие завершения жизненного цикла. То же самое справедливо и для других экологических факторов.

В описанном выше эксперименте изменялся только один фактор, а остальные как бы соответствовали зоне оптимума. Таким образом мы наблюдали действие закона лимитирующего фактора.

Даже единственный фактор за пределами своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма, а в пределе - к его гибели.

Такой фактор называется лимитирующим. Это относится к любому влияющему на рост параметру, которого «слишком мало» или «слишком много». Например, гибель растений вызывается и чрезмерным поливом и избытком удобрений, так и недостатком воды и питательных веществ. Это известно садоводам.

Закон лимитирующего фактора был сформулирован Либихом в 1840 году в ходе его наблюдений за влиянием на растения минеральных удобрений. Он обнаружил, что ограничение дозы любого удобрения ведёт к одинаковому результату - замедлению роста.

Дальнейшие наблюдения показали, что он относится ко всем влияющим на организм абиотическим и биотическим факторам. Это может быть и конкуренция, хищничество и паразитизм.

Кругооборот веществ в биосфере.

Процессы фотосинтеза органических веществ продолжаются сотни миллионов лет. Но поскольку Земля конечное физическое тело, то любые химические элементы также физически конечны. За миллионы лет они должны, казалось бы, оказаться исчерпанными. Однако этого не происходит. Более того, человек постоянно интенсифицирует этот процесс, повышая продуктивность созданных им экосистем.

Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического кругооборота веществ. Выделяют 2 основных кругооборота большой или геологический и малый или химический.

Большой кругооборот длится миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан или частично возвращаются на сушу вместе с осадками. Процессы опускания материков и поднятия морского дна в течении длительного времени приводят к возвращению на сушу этих веществ. И процессы начинаются вновь.

Малый кругооборот, являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы. Продукты распада почвенной микрофлоры вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются в поток вещества.

Кругооборот химических веществ из неорганической среды через растения и животные обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химической реакций называется биохимическим циклом.

Содержание химических элементов в теле человека.

О-62,81%, С-19,37%, H-9,31%, N-5,14%, Ca-1,38%, Р-0,64%, S-0,63%, Na- 0,26%, К-0,22%, CI-0,18%, Mg-0,04%, F-0,009%, Fe - 0,005 %, Mn-0,0001%.

Микро и макро элементы.

Человек :

Макро: - С, Н, N, О, S, Р.

Микро: - Cu, Mn, Fe, Zn, Mo, F, I, Se.

Растения:

Микро для фотосинтеза - Mg, Fe, Zn, V, Cl.

1 .Кругооборот углерода.

Сложный механизм эволюции на Земле определяется химическим элементом «углерод». Углерод - составная часть скальных пород и в виде СО- часть атмосферного воздуха. Источники СО - вулканы, дыхание, лесные пожары, сжигание топлива, промышленность и др.

Атмосфера интенсивно обменивается СО с мировым океаном, где его в 60 раз больше, чем в атмосфере, т.к. СО хорошо растворяется в воде (чем ниже температура - тем выше растворимость, т.е. СОбольше в низких широтах). Океан действует как гигантский насос: поглощает СО в холодных областях и частично «выдувает» в тропиках.

Избыточное количество СО в океане соединяется с водой, образуя угольную кислоту. Соединяясь с Са, К, Na, образует стабильные соединения в виде карбонатов, которые оседают на дно.

Фитопланктон в океане в процессе фотосинтеза поглощает СО. Умирая, организмы попадают на дно и становятся частью осадочных пород. Это показывает взаимодействие большого и малого кругооборота веществ.

О₂

Фотосинтез Глюкоза

СО₂

СО

Рост тканей

Заяц Лиса

НО

СО₂

СО СО

Углерод С из молекулы СО₂ в ходе фотосинтеза включается в состав глюкозы, а затем в состав более сложных соединений, из которых построены растения. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов в экосистеме и возвращаются в окружающую среду в составе СО₂.

Также углерод присутствует в нефти и угле. Сжигая топливо, человек также завершает цикл углерода, содержащегося в топливе - так возникает био- технический кругооборот углерода.

Оставшаяся масса углерода находится в карбонатных отложениях дна океана (1,3-10т), в кристаллических породах (1-10т), в угле и нефти (3,4- 10т). Этот углерод принимает участие в экологическом кругообороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается относительно небольшим количеством углерода (5-10т).

2. Кругооборот фосфора.

Этот элемент входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутри клеток, в костную ткань. В различных минералах фосфор содержится в виде ионов PO. Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают ионы PO из водного раствора и включают в состав различных органов соединений. По пищевым цепям он переходит от растений к другим организмам. На каждом этапе фосфор может быть выведен из организма в составе мочи.

Разница с кругооборотом углерода - в кругообороте углерода есть газообразная фаза (СО₂), у фосфора - газовой фазы нет.

Фосфаты циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие фосфор отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так и происходит. Фосфор может также поступать с моющими средствами и удобрениями.

3.Кругооборот азота.

Азот входит в состав белков.

Кругооборот азота несколько сложен, т.к. он включает газообразную и минеральную фазу.

Основная часть азота находится в воздухе (78%). Однако растения не могут усваивать азот непосредственно, а только в виде ионов NH₄⁺ и NO₃^-.

Существуют бактерии и сине-зелёные водоросли, способные превращать газообразный азот в ионы. Важнейшую роль среди азотофиксирующих организмов играют бактерии, живущие на клубеньках бобовых растений. Растения обеспечивают бактерии местообитанием и пищей (сахарами), получая от них взамен доступную форму азота. По пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых к другим организмам экосистемы. Органические соединения азота после гибели организмов при помощи бактерий разлагаются до аммиака и нитратов (NO₃ ). Нитраты частично вновь поглощаются растениями, частично восстанавливаются до N₂, вновь поступающего в атмосферу.

Насколько регулярно осуществляется кругооборот любого элемента, зависит продуктивность экосистемы, что важно для с/хозяйства и выращивания лесов. Вмешательство человека нарушает процессы кругооборота. Вырубка леса и сжигание топлива влияет на кругооборот углерода.

Считается, что время переноса углерода - 8 лет, N2 - 110 лет, кислорода - 2500 лет.

Кругооборот воды.

Нам знакомы 3 состояния воды: твёрдое - лёд, жидкое - собственно вода, газообразное - водяной пар. Количество водяного пара в воздухе определяют как влажность, обычно в %.

Главный источник поступления воды - атмосферные осадки,а глав-

ный источник расхода - испарение.

Продолжительность кругооборота :

океан (3000 лет), подземные воды (5000 лет), полярные ледники (8500 лет), озера (17 лет), реки (10 дней), вода в живых организмах - несколько часов

Т.к. океаны занимают 70% поверхности Земли, то вода попадает в воздух, главным образом, испаряясь с поверхности океана. Испарение идёт с поверхности озёр, рек, почвы и т.д.

Когда воздух, максимально насыщенный водяным паром, охлаждается, то вода конденсируется: её молекулы соединяются в капельки. В атмосфере вода конденсируется на частичках пыли, в результате чего образуются туман и облака. Когда эти капли или кристаллики льда становятся достаточно крупными, то идёт дождь или снег.

Вода, попадающая на землю, или впитывается в почву или стекает по ней. По поверхности вода стекает в ручьи, реки, далее в океан, где происходит испарение. Вода, впитавшаяся в почву, или удерживается в почве в количестве, зависящем от водоудерживающей способности почвы, и возвращается в атмосферу при испарении, или просачивается вниз по трещинам под действием силы тяжести, достигая непроницаемого слоя горной породы, накапливается и называется грунтовыми водами. Далее вода вытекает на поверхность и образует родники, а родники питают ручьи и т.д.

При испарении в воздух поднимаются только молекулы воды, а соли и другие вещества остаются на земле. Когда водяной пар конденсируется из него образуется только вода. Т.о. земля и атмосфера работают как гигантский опреснитель и очиститель (опреснителя - солёная вода океана).

Биотический потенциал и сопротивление среды.

Сохранение или рост численности зависит не только от скорости размножения (число новорожденных, отложенных яиц, произведённых семян или спор в единицу времени). Не менее важно и пополнение взрослого состава популяции за счёт потомства. Высокая скорость размножения при низких темпах пополнения не может существенно увеличить её численность.

Например - рыбы вымётывают тысячи или миллионы икринок, но лишь ничтожно малая часть выживает и превращается во взрослое животное. Растения рассеивают огромное количество семян.

И напротив, размер популяции может расти за счёт увеличения темпов пополнения при малой скорости размножения. Это относится к людям (рождаемость низкая, но детская смертность низкая, поэтому практически все дети доживают до взрослого возраста).

Другим важным фактором, ведущим к росту популяции, относится способность животных мигрировать, а семян рассеиваться на новых территориях, приспосабливаться к новым местам обитания и заселять их, наличие защищённых механизмов и устойчивость к неблагоприятным условиям среды и болезням.

Биотический потенциал - это совокупность факторов, способствующих

увеличению численности вида.

У разных видов составляющие биотического потенциала неодинаковы, но они имеют одно общее свойство - стремительное увеличение численности при благоприятных условиях среды. В естественных условиях такое наблюдается редко. Вероятность того, что все условия окажутся благоприятными очень низка. Обычно один или несколько факторов (t, влажность, солёность, хищники, паразиты, нехватка пищи) становятся лимитирующими. Сочетание всех таких «ограничителей» называют сопротивлением среды. Сильнее всего они действуют на молодых особей, а это снижает темпы пополнения. При более суровых условиях гибнет часть взрослых особей.

Следовательно: рост, снижение и постоянство популяции зависит от соотношения между биотическим потенциалом и сопротивлением среды.

Принцип изменения популяции: это результат нарушения равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением окружающей её среды.

Подобное равновесие является динамическим, т.е. непрерывно

регулирующимся, т.к. факторы сопротивления среды редко подолгу остаются неизменными. Например: в один год численность популяции снизилась из-за засухи, а в следующий год полностью восстановилась при обильных дождях. Подобные колебания продолжаются неопределённо долго. Равновесие - понятие относительное. Иногда амплитуда отклонений мала, иногда значительна, но пока сократившаяся популяция способна восстановить прежнюю численность, она существует.

Равновесие в природных системах зависит от плотности популяции, т.е. числа особей на единицу площади. Если плотность популяции растёт - сопротивление среды увеличивается, в связи с чем увеличивается смертность и рост численности прекращается. И наоборот, с уменьшением плотности популяции - сопротивление среды ослабевает и восстанавливается прежняя численность.

Воздействие человека на природу часто приводит к вымиранию популяции, т.к. не зависит от плотности популяции. Разрушение экосистем, загрязнение окружающей среды одинаково влияют на популяции как с низкой, так и высокой плотностью.

Кроме этого, биотический потенциал зависит от критической

численности популяции. Если численность популяции (оленей, птиц или рыб) падает ниже этой величины, гарантирующей воспроизводство, биотический потенциал стремится к нулю и вымирание неизбежно.

Существование может быть поставлено под угрозу, даже когда множество представителей вида живы, но живут в домашних условиях, т.е. изолированы друг от друга (попугаи).

Равновесие экосистемы.

Гомеостаз - это состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы (гомео - тот же, стазис - состояние).

Равновесие в экосистемах поддерживается процессами с обратной связью.

Рассмотрим простейшую экосистему: заяц-рысь, состоящую из двух трофических уровнях.

Рост популяции жертвы (заяц).

Рост популяции хищника (рысь).

Когда численность зайцев невелика, каждый из них может найти достаточно пищи и удобных укрытий для себя и своих детёнышей. Т.е. сопротивление среды невысоко, и численность зайцев увеличивается несмотря на присутствие хищника. Изобилие зайцев облегчает рыси охоту и выкармливание детёнышей. В результате численность хищника также возрастает. В этом проявляется обратная положительная связь. Однако с ростом численности зайцев уменьшается количество корма, убежищ и усиливается хищничество, т.е. усиливается сопротивление среды. В результате численность зайцев -снижается. Охотиться хищникам становится труднее, они испытывают нехватку пищи и их численность падает. В этом проявляется обратная отрицательная связь, которая компенсирует отклонения и возвращает экосистему в исходное

состояние.

Подобные колебания происходят периодически вокруг некого среднего уровня.

Численность

заяц

рысь

резкое изменение гибель время

факторов

При некоторых условиях обратная связь может быть нарушена. Например, на зайцев стал охотиться другой хищник, или среди зайцев возникла инфекционная болезнь. При этом происходит нарушение сбалансированности системы, которое может быть обратимым или необратимым. Роль помех могут играть и абиотические факторы. Засуха нижает продуктивность растений и ограничивает пищу для зайцев, что немедленно отразиться на хищнике.

При появлении помех в системе «заяц-рысь» станет меньше и зайцев и рысей. Стабильность системы в целом не нарушается, но объём трофических уровней изменится. При этом новый уровень стабильности опять будет обеспечиваться механизмами обратной связи.

Понятно, что давление помех не может быть беспредельным. При массовой гибели зайцев экосистема за счёт обратной отрицательной связи не может компенсировать отклонения. Тогда данная система прекратит своё существование.

гибель

Та область, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны сохранить устойчивость системы, хотя и в изменённом виде, называют гомеостатическим плато.

Экосистемы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее, т.е. чем больше видов организмов и пищевых связей.

Экосистема человека:

80% производимой пищи основано на потреблении 5 видов (пшеница, рис, кукуруза, соя, сахарный тростник).

Экологическая ниша.

Местообитание - это место, где живёт организм (лес, луг, болото, внутри другого организма).

Экологическая ниша - пространственно-временное положение организма в рамках экосистемы (где, когда и чем питается, где устраивает гнездо и т.п.)

На первый взгляд кажется, что животные должны конкурировать друг с другом за пищу и убежища. Однако это происходит редко, т.к. они занимают разные экологические ниши. Пример: дятлы извлекают личинки из-под коры, воробьи- зерном. И мухоловки и летучие мыши ловят мошкару, но в разное время - днём и ночью. Жираф поедает листья с верхушек деревьев и не конкурирует с другими травоядными.

У каждого вида животных своя ниша, что сводит к минимуму конкуренцию с другими видами. Поэтому в сбалансированной экосистеме присутствие одного вида обычно не угрожает другому.

Адаптация к разным нишам связана с действием закона лимитирующего фактора. Пытаясь использовать ресурсы за пределами своей ниши животное сталкивается со стрессом, т.е. с ростом сопротивления среды. Иными словами, в собственной нише его конкурентоспособность велика, а вне её значительно ослабевает или

пропадает вовсе.

Адаптация животных к определённым нишам заняла миллионы лет и протекала в каждой экосистеме по-своему. Ввезённые из других экосистем виды могут вызвать вымирание местных именно в результате успешной конкуренции за их ниши.

Пример:

1. Скворцы, завезённые в Северную Америку из Европы, за счёт своего агрессивного территориального поведения вытеснили местных «синих» птиц.

2. Одичавшие ослы потравили пустынные экосистемы, вытеснив оттуда снежного барана.

3. В 1859 году в Австралию из Англии завезли кроликов для спортивной охоты. Природные условия оказались для них благоприятными, а местные хищники - не опасными. В результате кролики расплодились на столько, что уничтожили обширные территории пастбищ. Лисы, привезённые для уничтожения кроликов нашли более лёгкую добычу (местных сумчатых). Лишь позже удалось определить паразита и решить проблему.

4. Земледельцы ищут методы борьбы с сорняком ранее не встречавшимся в нильской долине. Невысокое растение с крупными листьями и мощным корнем уже несколько лет ведёт наступление на обрабатываемые земли Египта. Местные агрономы считают его чрезвычайно активным вредителем. Оказывается, что это растение известно в Европе под названием «хрен деревенский». Вероятно его завезли русские специалисты, строившие металлургический комбинат.

Концепция экологической ниши применима и к растениям. Как и у животных их конкурентоспособность высока лишь в определённых условиях.

Пример: Платаны растут по берегам рек и в поймах, дубы на склонах. Платан приспособлен к переувлажнённой почве. Семена платана распространяются вверх по склону и этот вид может расти там при отсутствии дубов. Аналогично, жёлуди, попадая в пойму, гибнут из-за избытка влаги и не способны конкурировать с платанами.

Экологическая ниша человека - состав воздуха, воды, пищи, климатические условия, уровень электромагнитного, ультрафиолетового, радиоактивного излучения и пр.

Адаптация, изменение или вымирание экосистем.

В природе каждое поколение любого вида подвергается отбору на выживаемость и воспроизводство. Особи, которые выживают и размножаются, передают свои гены следующему поколению, а гены тех, что погибли, не оставив потомства, отсеиваются из генофонда. Таким образом генофонд каждого вида испытывает действие естественного отбора. Поэтому почти все признаки организма служат выживанию и воспроизводству.

Адаптация - это процесс приспособления живых организмов к определённым условиям внешней среды.

Существуют следующие виды адаптации:

1. Адаптация к климатическим и другим абиотическим факторам (чистая шерсть, перелёт птиц на юг, зимняя спячка у медведей, опадение листвы, холодостойкость хвойных деревьев).

2. Адаптация к добыванию пищи и воды (у жирафа - длинная шея, чтобы есть листья с деревьев, паук плетёт сеть, хищники - быстро бегают, длинные корни растений в пустыне).

3. Адаптация, направленная на защиту от хищников и устойчивость к заболеваниям и паразитам (заяц - быстрый бег, ёж - иглы, заяц - окраска, комочки у растений).

4. Адаптация, обеспечивающая поиск и привлечение партнёра у животных и опыление у растений (яркое оперение, пение, запах, яркий цвет у цветков).

5. Адаптация к миграциям у животных и распространение семян у растений (перелёт птиц, стада лошадей, крылья у семян для переноса ветром, колючки у семян).

При изменении любого абиотического или биотического фактора вид ожидает один из трёх путей:

1. Миграция - часть популяции может найти новое местообитание с подходящими условиями и продолжить там своё существование.

2. Адаптация - в генофонде могут присутствовать гены, которые позволят некоторым особям выжить в новых условиях и восстановить потомство. Через несколько поколений под действием естественного отбора возникнет популяция, хорошо приспособившаяся к новым условиям.

3. Вымирание - если ни одна пара особей не может мигрировать, спасаясь от воздействия неблагоприятных факторов, а те выходят за пределы устойчивости всех индивидов, то популяция исчезнет (динозавры).

Это означает, что в разные периоды истории Земля была населена разными существами. Ни одному виду не гарантировано выживание.

Ископаемые остатки свидетельствуют, что виды появляются, распространяются, дают начало другим видам и в большинстве случаев вымирают.

Итак по мере изменения условий существования, некоторые виды адаптируются и преобразуются, а другие вымирают. Что же определяет их судьбу?

Выживание вида обеспечивается его генетическим разнообразием и слабыми колебаниями внешних условий.

Если генофонд очень разнообразен, даже при сильных изменениях среды некоторые особи сумеют выжить. При низком разнообразии генофонда, наоборот, малейшее изменение среды может привести к вымиранию вида, поскольку генов, позволяющих особям противостоять отрицательному воздействию не найдётся.

Если изменения малозаметны и/или происходят постепенно, большинство видов сумеет приспособиться и выжить. Возможны такие катастрофические изменения (ядерная война), что не выживет ни один вид.

На выживание также влияет географическое распространение. Чем шире распространён вид, тем, как правило, выше его генетическое разнообразие и наоборот. Кроме того, при обширном ареале некоторые его участки могут быть удалены или изолированы от районов, где нарушались условия существования, в них вид сохранится, даже если исчезнет из других мест.

Если в новых условиях часть особей выжила, то восстановление популяции и дальнейшая адаптация будут зависеть от скорости воспроизведения, поскольку изменение признаков происходит только путём отбора в каждом поколении.

Например: пара насекомых даёт несколько сотен потомков, которые проходят жизненный цикл за несколько недель. С-но: скорость воспроизведения у насекомых в тысячу раз выше, чем у птиц, выкармливающих 2-6 птенцов в год, и одинаковый уровень приспособленности к новым условиям разовьётся во столько же раз быстрее. Стоит ли удивляться, что насекомые быстро адаптируются и приобретают устойчивость к применяемым против них пестицидам, тогда как другие дикие виды от этого гибнут.

Важны и размеры организма. Мухи могут существовать и в мусорном ведре, тогда как крупным животным для выживания нужны обширные пространства.

Сельское хозяйство с его узкой генетической базой оказывается беззащитным. Сокращение генетического разнообразия с одной стороны и ускоряющееся ухудшение окружающей среды с другой стороны, не способствуют устойчивости биосферы. Поэтому в ближайшие 50 лет человечеству предстоит сделать выбор: или создать устойчивую чело-

веческую экосистему или стать свидетелями глобальной катастрофы.

БИОНИКА

Формальной датой рождения одной из новых наук, возникшей в современном нам ХХ в., бионики, принято считать 13 сентября 1960 г. — день открытия первого американского национального симпозиума на тему «Живые прототипы искусственных систем — ключ к новой технике». Однако, само собой разумеется, что проведение такого симпозиума стало возможным только потому, что к этому времени было накоплено большое количество данных о принципах организации и функционирования живых систем, а также появились возможности практического использования добытых знаний для решения ряда актуальных задач техники.

Био́ника (от греч. βίον — элемент жизни, буквально — живущий) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги.

Единого мнения о содержании бионики — едва ли не самой популярной из молодых наук, возникших в ХХ в., — до сих пор нет. Многие специалисты считают бионику новой ветвью кибернетики, другие относят ее к биологическим наукам, но, судя по всему, наиболее правы те, кто выделяет бионику в самостоятельную науку.

Обращаясь к наиболее устоявшемуся определению, можно сказать, что бионика — это наука, занимающаяся изучением принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов и применением полученных знаний для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, аппаратов, строительных конструкций и технологических процессов. Бионику также можно назвать наукой о построении технических устройств, характеристики которых максимально приближены к характеристикам живых систем.

Различают:

· биологическую бионику, базирующуюся на самых разных разделах биологии и медицины, использует их достижения для выявления определенных принципов живой природы, которые могут быть положены в основу решения тех или иных проблем инженерного плана.

· теоретическую бионику, которая разрабатывает математический аппарат биологического моделирования, а также математические модели явлений и процессов, протекающих в живых организмах, живых системах или даже в обществах организмов.

· техническую бионику, реализует математические модели или иные стороны деятельности живых организмов, часто полученных в ходе исследований биологической и теоретической бионики, с целью усовершенствования существующих и создания совершенно новых технических средств и систем, превосходящих по своим техническим характеристикам уже созданные ранее и действующих по биологическому принципу.

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими. Примеры: мы все знаем самолёт. Но не догадываемся как придумали самолёт. А его придумали так: люди увидели птицу и решили собрать свою птицу. Люди увидели рыбу и решили создать подводную лодку.

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.

Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п.

В 1963 г. на Всесоюзной конференции по бионике академик А.И. Берг, один из создателей и идеологов бионики, отметил, что в природе существует много лишнего и несовершенного, избыточного и с технической точки зрения неоправданного. Поэтому бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у нее совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, обеспечивающие в сложных условиях существования особую гибкость и живучесть, выработанные живыми системами за время эволюционного развития.

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

· изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);

· исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;

· изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;

· исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

Многие медицинские инструменты имеют прообраз среди представителей живого мира. Игла-скарификатор, служащая для забора периферической крови (например, с целью выполнения общего анализа крови, неоднократно назначаемого каждому из нас врачами всех профилей), сконструирована по принципу, полностью повторяющему строение зуба-резца летучей мыши, укус которой, с одной стороны, отличается безболезненностью, а с другой — всегда сопровождается достаточно сильным кровотечением.

Привычный всем поршневой шприц во многом имитирует кровососущий аппарат насекомых — комара и блохи, с укусом которых гарантированно знаком каждый человек. Применяемая во время хирургической операции игла, используемая для наложения швов на внутренние органы и ткани человека, за несколько веков не изменила своей первоначальной формы — формы реберных костей крупных рыб, а скальпель до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной режущей кромкой.

Но это лишь самые простые примеры, дошедшие до нас буквально из глубины веков, а современное развитие бионики касается множества высокоразвитых медицинских технологий. Типичным примером является современная технология реконструкции и наращивания зубной эмали, являющаяся одним из «китов» нынешней стоматологии и применяющаяся в косметологии технология наращивания ногтей и волос. Основой для этих технологий является принцип построения морских губок, а также техника строения гнезд стрижей-саланганов. Оба эти строительных принципа основаны на химиоотвердевающей и светоотвердевающей методиках.

Принципы бионики и медицина

Не менее актуальным достижением бионики в медицине является использование биотоков. Когда в конце XVIII в. итальянский физиолог Луиджи Гальвани в качестве побочного результата опытов по анатомированию лягушек открыл биотоки, возникающие в мышцах при движении, будущее применение биотоков представлялось кранйе ограниченным. Однако результаты современных исследований утверждают прямо противоположное. Мозг, командуя движениями руки, продолжает посылать к мышцам руки биотоки — слабый электрический сигнал — и тогда, когда нижний сегмент руки ампутирован. Разумеется, движения в этом случае нет, т. к. импульсы, попадая в нервное окончание усеченной мышцы культи, дают лишь ощущение тех или иных движений, а материальный субстрат движений (мышцы) отсутствует.

Первая модель искусственной руки, управляемой биопотенциалом, была изготовлена в 1957 г. Она имела электромагнитный привод и весьма громоздкую систему усиления и преобразования снимаемых с какой-либо мышцы биоэлектрических сигналов. Первая искусственная рука воспринимала только общие сигналы типа «сжать пальцы», «разжать пальцы» и простейшее чередование этих команд, без восприятия сигналов регулирующего типа, сообщающих, с какой силой должно производиться движение. Попытка поздороваться с человеком, обладающим такой «железной рукой», неизбежно заканчивалась бы травмой.

Совершенствование протезов, управляемых биотоками, шло поистине «семимильными шагами», и уже летом 1960 г. участники I Международного конгресса Федерации по автоматическому управлению, проходившему в Москве, увидели, как мальчик, не имеющий кисти руки, взял искусственной рукой кусочек мела и написал на доске ясно и четко: «Привет участникам конгресса». Кистью протеза, которая четко сжималась и разжималась, управляли биотоки. Была достигнута четкость движений, достаточная для адекватного функционирования протеза, и следующей целью ученых было становление обратной связи, возможности ощущать протез.

Чуть позже, на конференции по бионике, проходившей в Баку, был продемонстрирован макет руки с чувствительными к давлению датчиками, укрепленными на кончиках пальцев, созданными из токопроводящей резины или тонкой проволоки. Под влиянием давления на датчики сигналы от них изменяют частоту вибраций зуммера, который укреплен на руке вблизи нерва, идущего в мозг. В настоящее время наиболее перспективными представляются датчики с использованием костно-вибрационных и электрокостных раздражений, однако для уточнения параметров сигналов, а также конструкции воздействующих элементов необходимо еще значительное время, заполненное экспериментами и научно-исследовательской работой.

Другим аспектом применения биотоков в медицине является их использование в лечении парезов и параличей, коррекции ряда патологических состояний при беременности, а возможно, и для облегчения состояния больных полиомиелитом и детским церебральным параличом, сколько-нибудь адекватного лечения которых в настоящее время не существует.

Проведение обширнейших и сложнейших операций на сердце и головном мозге стало возможным благодаря введению в медицинскую практику метода управляемой гипотермии (т. е. осознанного переохлаждения тела оперируемого для замедления обменных процессов в тканях и органах). Но мало кто знает, что именно гипотермия является основой анабиоза и паробиоза — состояния глубокой спячки — многих насекомых и некоторых мелких грызунов в неблагоприятное зимнее время. У этих животных гипотермия также направлена на замедление обменных процессов в органах и тканях, обусловливающее меньшее, чем в активном состоянии, потребление энергетических субстратов.

Метод передвижения некоторых простейших стал прообразом для создания автоматического желудочно-кишечного зонда, являющегося наиболее интересной и многообещающей перспективой инструментальных исследований в гастроскопии.

Возвращаясь к протезированию конечностей, следует отметить, что еще один современный тип протезов, применяющихся в основном для протезирования нижних конечностей, а точнее — протезы на силиконовой основе, также содержит в основе своей природный принцип — принцип гидравлического строения ходильных ножек паука, движения которых основаны на переходе состояния биологического коллоида по типу «гель-золь».

В какой-то степени достижения бионики в области медицины основаны на строении самого человека. Так, перфузионные пленки, накладываемые на обширные ожоговые поверхности и служащие для предупреждения раневой инфекции, практически полностью имитируют строение поверхностных слоев неповрежденной человеческой кожи, обладающей бактерицидными свойствами и характеризующейся полупроницаемостью.

Достижения бионики во многом подают надежды некоторого улучшения состояния или практически полной компенсации качества жизни для больных, положение которых ранее расценивалось как практически безнадежное. Одним из первых шагов на этом пути является создание аппаратов, способных слышать. Потеря слуха является существенной и опасной для человека и приводит к полной или практически полной инвалидизации. Эта проблема остается одной из крайне сложных и практически неразрешимых проблем медицины. Сравнительно недавно многие глухие люди получили реальную возможность слышать с помощью аппарата, созданного на основе новейшего открытия ученых-физиологов: низкочастотные колебания, воспринимаемые человеческим ухом, могут восприниматься и живым нервом зуба, и передаваться в мозг. Радиоинженеры создали так называемый «радиозуб» — систему, с помощью которой ранее не слышавшие люди могут слышать. Для установления такого прибора необходимо наличие одного-единственного живого зубного нерва, а полное отсутствие живых зубных нервов не характерно даже для тотально пораженной ротовой полости.

Конструкцию аппарата можно описать приблизительно следующим образом: миниатюрный микрофон, который можно носить на руке как часы, связан с таким же миниатюрным передатчиком, преобразующим звук в радиосигналы, которые улавливает приемник, вмонтированный в зуб. Приемник представляет собой тонкий слой полупроводникового сплава, наложенного на свободные нервные окончания, находящиеся в зубном канале. Этот полупроводниковый сплав образует пьезоэлектрический элемент, сверху покрытый слоем золота или серебра, который служит антенной. По внешнему виду такая конструкция практически ничем не отличается от привычных в современной ортопедической стоматологии металлизированных пломб и коронок.

Сигнал радиопередатчика, принятый такой антенной, попадает в пьезоэлемент; в пьезоэлементе возникают колебания, которые возбуждая свободные нервные окончания в зубе, передаются в виде нервных импульсов в корковые и подкорковые слуховые центры головного мозга. Таким образом человек, который до этого момента жил в мире без звуков, начинает слышать. Конечно, в реальной жизни для человека, снабженного таким аппаратом, остается значительное количество ограничений, например в использовании мобильных телефонов, а также при работе с так называемыми генераторами шума, но что значат эти ограничения в сравнении с полной глухотой, не дающей человеку полной социальной реабилитации.

В последнее время в ряде стран получили широкое распространение исследования так называемого квазислухового опознания, имеющие целью создание устройств, моделирующих слуховой аппарат. Некоторые устройства, воспроизводящие функции органов слуха, уже созданы и испытаны. Так, в лейденском университете в связи с исследованиями механизма восприятия звуков человеком разработана электронная модель уха (в виде системы фильтров), воспроизводящая частотные характеристики уха. Моделирование позволило уточнить модель слуха и в частности объединить такие явления, как восприятие тембра и звуков в их динамике.

Модель американских ученых В. Колдуэлла, Э. Гленера, Дж. Стюарта предназначена для анализа зависимости интенсивности звучания разных частот в произносимых человеком звуках от времени с целью выявления признаков, по которым человек опознает звуки, фонемы и слова, произносящиеся разными людьми. Эти исследования могут послужить как для медицинских целей в плане создания более совершенных слуховых аппаратов, так и для совершенствования компьютерной техники.

Бионика и техника

Снегоходная машина, имитирующая принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу, была разработана в Горьковском политехническом институте под руководством А.Ф. Николаева. Пингвины передвигаются по снегу, отталкиваясь ластами, подобно лыжникам, использующим для этой цели палки. Основанная на этом принципе снегоходная машина «Пингвин», лежа на снегу широким днищем, способна двигаться со скоростью до 50 км/ч. В подобных машинах нуждаются исследователи Арктики и Антарктиды, а также жители наших северных регионов – охотники, оленеводы и т.д. Здесь тягачи, тракторы и снегоходы при своем движении по снегу образуют глубокую колею, буксуют и увязают. Подобные машины могут использоваться и на мелководных озерах, где обычные плавсредства чаще всего не могут применяться.

Судостроители во всем мире давно уже обратили внимание на грушеобразную форму головы кита, более приспособленную к перемещению в воде, нежели ножеобразные носы современных судов. Японский ученый Тако Инуи учел это при создании модели пассажирского парохода «Куренаи Маару». По сравнению с обычными судами китообразный пароход оказался более экономичным. При уменьшении мощности двигателей на 25% он сохранил прежнюю скорость и грузоподъемность. Американская подводная лодка «Скипджек», корпус которой по форме напоминает тунца, имеет более высокую скорость, повышенную маневренность по сравнению с другими подводными судами.

ХИМИЯ

Основные понятия химии. Основные законы химии

Химия – наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Атом – наименьшая частица элемента в химических соединениях. Современное определение: атом – электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Химический элемент – это вид атомов, характеризующийся определенным зарядом ядра.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

Вещество – это любая совокупность атомов и молекул.

Простое вещество – вещество, образованное атомами одного элемента. Простых веществ известно около 400.

Аллотропия – образование одним элементом нескольких простых веществ (аллотропных форм элемента) Примеры: углерод (алмаз, графит, карбин), сера (кристаллическая пластическая), фосфор (белый, черный, красный).

Химическое соединение (сложное вещество) – вещество, состоящее из двух или более элементов, связанных между собой постоянными (стехиометрическими) соотношениями. Известно более 10 миллионов химических соединений. Состав химического соединения является постоянным.

Смесь – вещество, состоящее из нескольких соединений, не связанных между собой постоянными соотношениями. Например, морская вода – смесь воды и растворенных в воде веществ.

Относительная атомная масса. Относительная молекулярная масса

Абсолютная атомная масса (m_a) – это масса атома, выраженная в килограммах (г.)

Массы атомов очень малы: m_a(Н) = 1,67·10^{-27
кг}

m_a(О) = 26,67·10^{-27
кг}

m_a(С) = 19,93·10^{-27
кг}

Относительная атомная масса (А_r) – это число, которое показывает, во сколько раз масса данного атома больше 1/12 массы атома углерода.

1/12 часть массы атома углерода называется атомной единицей массы (а.е.м.)

1 а.е.м. = m_a(С)/12 = 19,93·10^-27/12 = 1,66·10^{-27 кг}

Относительную атомную массу элемента Х можно вычислить по формуле:

А_r(Х) = m_a(Х)/1 а.е.м.

А_r(Н) = m_a(Н)/ 1 а.е.м. = 1,67·10^-27/1,66·10^-27 = 1

А_r(О) = m_a(О)/ 1 а.е.м. = 26,67·10^-27/1,66·10^-27 = 16

А_r(С) = m_a(С)/ 1 а.е.м. = 19,93·10^-27/1,66·10^-27 = 12

Относительная молекулярная масса (М_r) – это число которое показывает, во сколько раз масса молекулы этого вещества больше атомной единицы массы.

Задачи

1. Чему равна абсолютная масса атома серы, если относительная атомная масса серы равна 32?

Дано:

А_r(S) = 32

Найти:

m_a(S) - ?

Решение:

А_r(Х) = m_a(Х)/1 а.е.м.;

А_r(S) = m_a(S)/1 а.е.м. Отсюда находим m_a(S) = А_r(S) · 1 а.е.м. = 32 · 1,66·10^-27 =

53,12 · 10^{-27 кг.}

2. Чему равна абсолютная масса атома: а) золота, б) кальция, в) меди?

a) Дано:

А_r(Аu) = 197

Найти:

m_a(Аu) - ?

Решение:

А_r(Х) = m_a(Х)/1 а.е.м.;

А_r(Аu) = m_a(Аu)/1 а.е.м. Отсюда находим m_a(Аu) = А_r(Аu) · 1 а.е.м. =

197 · 1,66·10^-27 = 327· 10^{-27 кг. = 3,27·
10-25 кг.}

Химические формулы

Химическая формула – отражает состав (структуру) химического соединения или простого вещества. Существует несколько типов химических формул.

Молекулярная формула – указывает число атомов каждого элемента в молекуле.

Эмпирическая формула – указывает простейшие соотношения между числом атомов разных элементов в веществе.

Структурная формула – указывает порядок соединения атомов в молекуле и число связей между атомами.

Название соединения	Молекулярная формула	Эмпирическая формула	Структурная формула
Сера	S₈	S	S-S-S-S \| \| S-S-S-S
Оксид серы (4)	SO₂	SO₂	O=S=O
Пероксид водорода	H₂O₂	HO	H-O-O-H

Химическая реакция – превращение веществ, сопровождающееся изменением их состава и (или) строения.

Химическое уравнение – запись химической реакции с помощью формул реагентов и продуктов с расстановкой стехиометрических коэффициентов.

Типы химических реакций

1. Реакции разложения:

2КМnO₄= К₂МnO₄+ МnO₂+ O₂

2. Реакции соединения:

2Са + О₂= 2СаО

3. Реакции замещения:

2К + 2НСl = 2КСl + H₂

4. Реакции обмена:

НСl + NaOH = NaCl + H₂O

Моль. Молярная масса

Количество вещества – это физико-химическая величина, которая показывает число структурных единиц (молекул, атомов, ионов и др.), образующих это вещество. Единицей количества вещества является моль. (γ)

Моль – это количество вещества, которое содержит столько структурных единиц, сколько атомов содержится в 12 г. вещества углерода. Один моль любого вещества содержит 6,02·10²³молекул или атомов. Это число называют числом Авогадро (N_a).

Масса одного моля вещества называется молярной массой (М). Выражается молярная масса в кг/моль или г/моль. Молярная масса равна отношению массы вещества к его количеству: М = m\ γ

Молярная масса численно равна относительной молекулярной массе.

Задачи

Определите массу: а) 0,1 моль Н₂; б) 20 моль Аl, в) 5 моль СО₂; г) 2,5 моль NaOH

а) Дано:

0,1 моль Н₂

Найти: m - ?

Решение:

Исходя из формулы М = m\ γ определим массу: m = М· γ = М(Н₂)· γ = 2 · 0.1 =

= 0,2 г.

б) Дано:

20 моль Аl,

Найти: m - ?

Решение:

Исходя из формулы М = m\ γ определим массу: m = М· γ = М(Аl)· γ = 27 · 20 =

= 540 г.

Основные законы химии

1. Закон сохранения массы (М.Ломоносов, 1748 г., А.Лавуазье, 1789 г.) – масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Закон сохранения массы не выполняется в ядерных реакциях.

Пример:

2Na + S = Na₂S

γ 2 моль 1 моль 1 моль

М 23 г/моль 32 г/моль 78 г/моль

m 46 г 32 г 78 г

46 + 32 = 78 г.

2. Периодический закон (Д.И.Менделеев, 1869 г.) – свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра элемента.

Периодическая таблица – графическое изображение периодического закона. Она состоит из семи периодов и восьми групп.

Современная периодическая система содержит 118 химических элементов, каждый из которых занимает определенное место (клетку) и имеет свой порядковый номер.

3. Закон постоянства состава (Ж.Пруст, 1808 г.) – все индивидуальные вещества имеют постоянный качественный и количественный состав, независимо от способа их получения.

Поэтому каждое вещество имеет свою химическую формулу. По формуле вещества можно рассчитать массовую долю каждого химического элемента, который входит в состав вещества.

Массовая доля элемента в данном веществе – это отношение относительной атомной массы данного элемента, умноженной на число его атомов в молекуле, к относительной молекулярной массе вещества.

W(X) = А_r(Х) · n/ M_r

Массовые доли выражаются в процентах или в долях единицы.

Пример: рассчитаем массовые доли водорода и кислорода в воде

W(Н) = А_r(Н) · 2/ M_r (Н₂О) = 1·2/18 = 0,11 или 11%

W(О) = А_r(О) · 1/ M_r (Н₂О) = 1·16/18 = 0,89 или 89%

4. Закон Авогадро (1811 г.) – в равных объемах газов при постоянных температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Объемы газов прямо пропорциональны их количествам:

γ₁/γ₂= V₁/ V₂

Задачи

Сколько молей составляют и сколько молекул содержит: а) 11 г углекислого газа (СО₂); б) 24 г хлороводорода (НСl); в) 30 г. сернистого газа (SO₂) - ?

а) Дано:

m (СО₂) = 11 г.

Найти: γ - ?

N - ?

Решение: Исходя из формулы М = m\ γ определим количество моль – γ = m\ М = 11/(12 + 16·2) = 0,25 моль. В одном моле содержится 6,02 · 10²³молекул, следовательно в 0,25 моле: 6,02· 10²³ · 0,25 = 1,53· 10²³молекул.

Вещества органические и неорганические

Первоначальная классификация веществ

Вещества

Минеральные

Растительные

Животные

Глинозем – Аl₂O₃

Каменная соль – NaCl

Кварц – SiO₂

Глюкоза – С₆Н₁₂О₆

Щавелевая кислота СООН

СООН

Жиры

Основоположником органической химии, т.е. химии, которая бы занималась изучением веществ, синтезируемых в растениях и животных был немецкий химик Берцелиус (1807 г.) Ошибкой Берцелиуса было утверждение о том, что органические вещества нельзя получить искусственным путем.

До 20-х годов 19 века это утверждение Берцелиуса о невозможности синтезировать органические вещества в лаборатории поддерживалось многими учеными. Предполагалось, что органические вещества образуются только в живой природе при участии особой «жизненной силы» Учение о жизненной силе называется «витализмом».

В 1824 г. ученик Берцелиуса – Велер синтезировал щавелевую кислоту

В 1828 г. Велер синтезирует мочевину- СО(NH₂)₂

В 1845 г. Кольбе синтезирует уксусную кислоту – СН₃СООН

В 1851 г. Бертло синтезировал жиры

В 1861 г. Бутлеров синтезировал один из углеводов (сахаристые вещества)

2. Современная классификации веществ

Вещества
Неорганические	Органические
Разнообразного состава, нет такого химического элемента, который бы встречался во всех химических соединениях	Наряду с другими элементами всегда содержат углерод
Электролиты	Не электролиты
Твердые вещества с высокой температурой плавления	Жидкости или твердые вещества с низкой температурой плавления
Не окисляются на воздухе, не горючи	Окисляются на воздухе, горючи
Растворимы в воде	Нерастворимы ли плохо растворимы в воде

Органическая химия – это химия соединений углерода.

Однако некоторые соединения углерода (оксиды СО и СО_2,угольная кислота и ее соли – также содержат углерод. Поэтому дают следующее определение органической химии:

Органическая химия – это химия углеводородов и их производных.

Углеводороды (УВ) – это простейшие органические вещества, молекулы которых состоят из атомов, только двух элементов: С и Н. Например: СН₄, С₂Н₆и т.д.

Производные УВ – это продукты замещения атомов «Н» в молекулах УВ на другие атомы или группы атомов. Например:

СН₄→ СН₃Сl

С₂Н₆ → С₂Н₅F

Принципиального отличия между органическими и неорганическими веществами нет.

В настоящее время известно более 15 млн. органических соединений.

3. Дальнейшее развитие органической химии

Дальнейшее развитие науки требовало создания новой, более прогрессивной теории. В создание такой теории органической химии внесли свой вклад ученые нескольких стран — в первую очередь русский ученый А. М. Бутлеров, шотландец Купер и крупнейший немецкий химик Кекуле.

Кекуле (одновременно с его соотечественником Кольбе) установил четырех валентность углерода и (одновременно с Купером) развил идею о способности углеродных атомов соединяться в длинные цепи. в химических соединениях с помощью черточек. Начиная с 1858 г. А. М. Бутлеров развивает и экспериментально обосновывает теорию химического строения. А. М. Бутлеров исходил из материалистических представлений, основанных на атомистическом учении М. В. Ломоносова и Дальтона. Сущность этой теории сводится к следующим основным положениям.

1. Химическая природа каждой сложной молекулы определяется природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением.

2. Химическое строение — это определенный порядок в чередовании в молекуле атомов, во взаимодействии, взаимном влиянии атомов друг на друга (как соседних, так и через другие атомы).

3. Химическое строение веществ определяет их физические и химические свойства.

4. Изучение свойств веществ позволяет определить их химическое строение.

В отличие от ранее существовавших теорий теория химического строения позволяла классифицировать весь накопившийся и новый экспериментальный материал и, что самое важное, предсказывать возможное число органических соединений определенного состава и вероятные пути их синтеза, т. е. допускала экспериментальную проверку. Она стала общей теорией органической химии как науки.

В 70-х годах XIX в. теория строения дополнилась теорией пространственного расположения атомов в молекулах — стереохимической теорией (Вант-Гофф, Лебедь). Создание теории химического строения способствовало бурному развитию органической химии и в последней четверти XIX в. она приняла современный облик. Уже в конце XIX в. синтетический метод органической химии стал проникать в химическую промышленность. Возникают производства синтетических красителей, взрывчатых веществ, медикаментов. Сырьевую базу для них дает коксохимическая промышленность: необходимые для этих производств органические вещества получают преимущественно из каменноугольной смолы и продуктов ее переработки. Развитие промышленности в свою очередь стимулировало научные исследования.

Классификация неорганических веществ – оксиды, кислоты, соли, основания

В настоящее время известно более 100 тысяч неорганических веществ. Все неорганические вещества можно разделить на классы. Каждый класс объединяет вещества, сходные по составу и по свойствам.

Важнейшими классами сложных неорганических веществ являются: оксиды, основания, кислоты, соли.

Оксиды – это соединения двух элементов, одним из которых является кислород. Общая формула оксидов: Э_хО_У

х – это число атомов элемента, у – число атомов кислорода.

Примеры оксидов: NO, CaO, SO₃и т.д.

Оксиды классифицируются в зависимости от того, каким элементом они образованы:

ОКСИДЫ

Образуются неметаллами и

металлами в высших

степенях окисления

(СO₂; РO; Мn₂O₇ и др.)

Al₂0₃, BeO, ZnO, PbO, Cr₂0₃, SnO, SnO, GeO, GeO₂, SbO, MnO₂ и др.

Образуются металлами (MgO;CrO;CuOи дp)

Основные Амфотерные Кислотные

Основными оксидами называются такие, которые при взаимодействии с кислотами образуют соль и воду. Соединения этих оксидов с водой относят к классу оснований (например, оксиду Na₂0 соответствует основание NaOH).

Кислотными оксидами называются такие, которые при взаимодействии с основаниями образуют соль и воду. Соединения этих оксидов с водой относят к классу кислот (например, оксиду Р₂O₅ соответствует кислота Н₃РO₄, а оксиду С1₂0₇ - кислота НСlO₄).

К амфотерным оксидам относятся такие, которые взаимодействуют с кислотами и основаниями с образованием соли и воды. Соединения этих оксидов с водой могут иметь как кислотные, так и основные свойства (например, амфотерному оксиду ZnO соответствует основание Zn(OH)₂ и кислота H₂ZnO₂).

Основания – это сложные вещества, молекулы которых состоят из атома металла и одной или нескольких гидроксильных групп – «ОН»

Формула оснований: Ме(ОН)_х

х – число гидроксильных групп, равное валентности металла.

Примеры оснований: NaOH, Ba(OH)_2,Fe(OH)₃и т.д.

Кислоты – это сложные вещества, содержащие атомы водорода, которые могут замещаться атомами металла. Общая формула кислот: Н_х(Ас)

х – число атомов водорода, равное валентности кислотного остатка,

Ас – кислотный остаток.

Примеры кислот: НСl, H₂SO₄, H₃PO₄и т.д.

Соли – это сложные вещества, состоящие из атомов металла и кислотных остатков.

Формула солей: Ме_х(Ас)_у

Примеры солей: NaCl, BaSO₄, Mg(NO₃)₂ и т.д.

Упражение

1. Классифицируйте следующие сложные неорганические соединения: КСl, Zn(OH)₂, CaO, P₂O₅, HMnO₄, KOH, Cu(OH)₂, Fe(NO₃)₂, Al₂(SO₄)₃, MgCO₃, NO, SO_2,BaSO₄, HCl, H₃PO₄

Формулы веществ выписываем в таблицу:

Оксиды

Кислоты

Основания

Соли

CaO, P₂O_5, NO, SO₂

HMnO₄, HCl, H₃PO₄

Zn(OH)₂, KOH, Cu(OH)₂

КСl, Fe(NO₃)₂, Al₂(SO₄)₃, MgCO₃ BaSO₄

2. Составьте формулы 5 оксидов, 5 оснований, 5 солей и 5 кислот.

Оксиды: F₂O, NO, P₂O₅, CO, B₂O₃

Кислоты: H₂SO₄, HClO, HClO₂, H₂CO₃, HF

Основания: Ba(OH)₂, Fe(OH)₃, LiOH, NaOH, Zn(OH)₂

Соли: LiNO₃, ZnSO₄, AlPO_4,BaCO₃, Mg(NO₃)₂

Кислотные дожди. Показатель кислотности растворов рН.

Кислотные осадки представляют собой различные виды атмосферных осадков (дождь, снег, туман, роса) с кислотностью выше нормы.

Понятие кислотности

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н⁺ и характеризуется концентрацией этих ионов в одном литре раствора C(H⁺) (моль/л или г/л). Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН^– и характеризуется их концентрацией C(ОН^–).

Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов – величина постоянная, равная

C[H⁺]·C[ОН^–] = 10^–14,

другими словами, кислотность и щелочность взаимосвязаны: увеличение кислотности приводит к снижению щелочности, и наоборот.

Раствор является нейтральным, если концентрации водородных и гидроксильных ионов одинаковы и равны (каждая) 10^–7 моль/л. Такое состояние характерно для химически чистой воды.

Из сказанного следует, что для кислых сред выполняется условие:

10^–7 < C [H⁺],

для щелочных сред:

C[H⁺] < 10^–7.

На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается более удобным водородным показателем рН, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов:

рН = –lgC[H⁺]

Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10^–5 моль/л, то показатель кислотности этого раствора рН = 5.

В кислых растворах рН < 7, и чем меньше, тем кислее раствор. В щелочных растворах

рН > 7, и чем больше, тем выше щелочность раствора.

Шкала кислотности идет от рН = 0 (крайне высокая кислотность) через рН = 7 (нейтральная среда) до рН = 14 (крайне высокая щелочность). Показатель кислотности рН различных веществ, встречающихся в повседневной жизни, приведен на рис. 1.

Чистая природная, в частности дождевая, вода в отсутствие загрязнителей тем не менее имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ с образованием слабой угольной кислоты:

СО₂ + Н₂О → Н₂СО₃.

Для определения показателя кислотности используют различные рН-метры, в частности дорогостоящие электронные приборы. Простым способом определения характера среды является применение индикаторов – химических веществ, окраска которых изменяется в зависимости от рН среды. Наиболее распространенные индикаторы – фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а также естественные красители из красной капусты и черной смородины.

Основные антропогенные источники кислотообразующих выбросов

Главные кислотообразующие выбросы в атмосферу – диоксид серы SO₂ (cернистый ангидрид, или сернистый газ) и оксиды азота NОх (монооксид, или оксид азота NО, диоксид азота NO₂ и др.).

Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу являются главным образом вулканы и лесные пожары. Естественная фоновая концентрация SО₂ в атмосфере достаточно стабильна, включена в биохимический круговорот и для экологически благополучных территорий России равна 0,39 мкг/м³ (Арктика) – 1,28 мкг/м³ (средние широты). Эти концентрации значительно ниже принятого в мировой практике предельно допустимого значения (ПДК) по SО₂, равного 15 мкг/м3.

Общее количество диоксида серы антропогенного происхождения в атмосфере сейчас значительно превышает ее естественное поступление и составляет в год около 100 млн. т (для сравнения: природные выбросы SO₂ в год равны примерно 20 млн. т). Из них на долю США приходится 20%, на долю России – менее 10%. Диоксид серы образуется при сжигании богатого серой горючего, такого, как уголь и мазут (содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5–6%), на электростанциях (~40% антропогенного поступления в атмосферу), в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химических технологических процессах и работе ряда предприятий машиностроительной отрасли промышленности (~50%).

Содержанию оксидов азота в атмосфере стали уделять внимание лишь после обнаружения озоновых дыр в связи с открытием азотного цикла разрушения озона.

Природные поступления в атмосферу оксидов азота связаны главным образом с электрическими разрядами, при которых образуется NО, впоследcтвие – NО₂. Значительная часть оксидов азота природного происхождения перерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимический круговорот. Для экологически благополучных районов России естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м3 (Арктика) – 1,23 мкг/м3 (средние широты), что существенно ниже ПДК, равного 40 мкг/м3.

Оксиды азота техногенного происхождения образуются при сгорании топлива, особенно если температура превышает 1000 °С. При высоких температурах часть молекулярного азота окисляется до оксида азота NО, который в воздухе немедленно вступает в реакцию с кислородом, образуя диоксид NO₂. Первоначально образующийся диоксид азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается в диоксид – гораздо более опасное соединение.

Техногенные мировые выбросы оксидов азота в атмосферу составляют в год около 70 млн. т (природные выбросы оксидов азота, по некоторым оценкам, равны в год 700 млн. т), примерно 30% их приходится на долю США, 25% – на долю стран Западной Европы и лишь несколько процентов – на долю России. Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в атмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов – сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота.

Главный источник техногенных оксидов азота в атмосфере – автотранспорт и другие виды моторного транспорта (около 40%). Распределение выбросов оксидов азота по основным отраслям промышленного производства приведены в таблице.

Задачи

Вычислите рН водного раствора, в котором концентрация водного раствора катионов водорода равна 10^-2 моль\л. Определите характер среды.

Дано:

[Н⁺] = 10^-2моль/л

Найти: рН - ?

Решение:

Водородным показателей рН называется отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода: рН = -lg[Н⁺] = - lg[10^-2] = 2. Характер среды кислотный.

2. Вычислите рН водного раствора, в котором концентрация гидроксид-ионов равна 10^-5моль/л. Определите характер среды.

Дано:

[ОН^-] = 10^-5моль/л

Найти: рН - ?

Решение:

рН = -lg[Н⁺]

Зная, что произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов – величина постоянная, равная

C[H⁺]·C[ОН^–] = 10^–14, можно определить концентрацию катионов водорода:

C[Н⁺] = 10^–14/ C[ОH^-] = 10^–14/10^-5 = 10^-9

Следовательно, рН = - lg[10^-9] = 9

Характер среды – щелочной.

Строение атома и атомного ядра. Изотопы в природе.

В основе классической химии лежит философская концепция атомизма, которая была сформулирована еще в античной философии Левкиппом, Демокритом и Эпикуром. Суть атомизма заключается в понимании вещества как совокупности мельчайших, неделимых частиц – атомов. Атомы находятся в непрерывном движении, благодаря которому они могут взаимодействовать друг с другом. Все многообразие мира есть результат взаимодействия атомов. Вплоть до конца 19 века в естествознании господствовало представление о том, что атом – это наименьшая частица вещества, предел делимости материи. Только наука 20 века показала, что элементарными частицами являются отнюдь не атомы.

В 1921 году английский физик Э.Резерфорд предложил планетарную модель атома.

Основные положения планетарной модели атома Э.Резефорда

1. Атом имеет форму шара, в центре которого находится ядро.

2. Ядро имеет очень маленький размер (диаметр атома ~10^{-10
м., диаметр ядра}

~10^{-15 м.)}

3. Ядро имеет положительный заряд.

4. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, так как масса электронов ничтожно мала

5. Вокруг ядра движутся электроны.

6. Электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг солнца.

В 1913 году Г.Мозли (Англия) установил, что положительный заряд ядра атома (в условных единицах) равен порядковому номеру элемента в периодической системе.

Атом – это электронейтральная частица, поэтому положительный заряд ядра численно равен сумме отрицательных зарядов всех электронов, или числу электронов (т.к. заряд электрона равен -1).

Порядковый Заряд Число

Номер = Ядра = электронов

элемента атома в атоме

В 1932 году Д.Д.Иваненко (СССР) и В.Гейзенберг (Германия) независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную теорию строения ядер атомов.

Согласно этой теории, ядра атомов состоят из положительно заряженных частиц – протонов и нейтральной частиц – нейтронов. Протоны и нейтроны называются нуклонами (от латинского слова «nucleus» - ядро).

Электроны, протоны и нейтроны являются элементарными частицами, из которых состоит атом.

Характеристика элементарных частиц

Частица	Обозначение	Заряд	Абсолютная масса, кг	Относительная масса, а.е.м.
Электрон	ē	-1	9,11·10^-31	1/1840
Протон	р	+1	1,67·10^-27	1
Нейтрон	n	0	1,67·10^-27	1

Число электронов и число протонов совпадает с порядковым номером элемента. Число нейтронов находится как разность между атомной массой элемента и порядковым номером элемента в таблице Д.И.Менделеева.

Сумма протонов и нейтронов называется массовым числом атома и обозначается буквой

А = р + n

Атомы одного элемента, которые имеют разные атомные массы, но одинаковый заряд ядра называются изотопами.

В природе все элементы представлены смесью различных изотопов, например элемент водород имеет три изотопа:

Н (протий) Д (дейтерий) Т (тритий)

1 протон 1 протон 1 протон

Нейтронов нет 1 нейтрон 2 нейтрона

Относительная атомная масса элемента А_r, которая указана в периодической системе – это средняя величина массовых чисел природных изотопов этого элемента с учетом процентного содержания каждого изотопа.

А_r (Сl) = (35·75,5 + 37·25,5)/ 100 = 35,5 (а.е.м.)

Химические свойства всех изотопов одного элемента одинаковые, значит, химические свойства элемента зависят не от атомной массы, а от заряда ядра.

Заряд ядра – главная характеристика элемента.

Задачи

1. Чему равен заряд ядра и число электронов в атомах следующих элементов:

С, S, Cu, Ba, Ag?

Решение: заряд ядра совпадает с числом электронов и совпадает с порядковым номером элемента, следовательно, С имеет заряд ядра +6, электронов – 6;

S – заряд ядра +16, число электронов – 16;

Cu – заряд ядра +29, число электронов – 29.

2. Назовите элемент, в ядре атома которого содержится: 11 протонов, 26 протонов, 54 протона?

Решение: число протонов совпадает с порядковым номером элемента, следовательно по таблице Д.И.Менделеева можно определить, что 11 протонов имеет ядро атома Na; 26 протонов ядро атома Fe ; 54 протона ядро атома Xe/

3. Чему равно число нейтронов в атомах следующих изотопов: ¹⁵₇N, ¹¹⁹₅₀Sn,

²³⁵₉₂U ?

Решение: число нейтронов находится как разность между атомной массой и порядковым номером элемента, следовательно: n = A_r– z

Для изотопа ¹⁵₇N: n = A_r– z = 15 – 7 = 8

¹¹⁹₅₀Sn: n = A_r– z = 119 – 50 = 69

²³⁵₉₂U: n = A_r– z = 235 – 92 = 143

4. Медь имеет два изотопа: ⁶³₂₉Cu и ⁶⁵₂₉Cu. Содержание первого изотопа равно 73%, второго – 27%. Вычислите относительную атомную массу меди.

Решение:

А_r (Сu) = (63·73 + 65·27)/100 = 63.5 (а.е.м.)

5. Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, число электронов атоме равно 15. Назовите элемент, изотопом которого является данный атом.

Решение: Сумма нейтронов и протонов равна массовому числу атома и относительной атомной массе элемента, поэтому: A_r= р + n, т.к. число протонов совпадает с числом электронов, то A_r= 16 + 15 = 31. По таблице Д.И.Менделеева находим элемент с такой относительной атомной массой, это фосфор- Р.

Химический состав воздуха. Загрязнение атмосферы и его источники

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.

Толщина атмосферы — примерно 2000—3000 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)×1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003×1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27×1016 кг.

Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м3. За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.

Атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Состав сухого воздуха

Газ	Содержание по объему, %	Содержание по массе, %
Азот	78,084	75,50
Кислород	20,946	23,10
Аргон	0,932	1,286
Вода	0,5-4	-
Углекислый газ	0,0387	0,059
Неон	1,818×10⁻³	1,3×10⁻³
Гелий	4,6×10⁻⁴	7,2×10⁻⁵
Метан	1,7×10⁻⁴	-
Криптон	1,14×10⁻⁴	2,9×10⁻⁴
Водород	5×10⁻⁵	7,6×10⁻⁵
Ксенон	8,7×10⁻⁶	-
Закись азота	5×10⁻⁵	7,7×10⁻⁵

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO₂, NH₃, СО, О₃, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км.

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около —90 °C).

Линия Кармана

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Граница атмосферы Земли

Принято считать, что граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 километров. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.

Термосфера

Верхний предел — около 800 км. Температура растёт до высот 200—300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.

Физиологические и другие свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 15 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

На высоте около 19—20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15—19 км.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера (около четырех миллиардов лет назад). На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера (около трех миллиардов лет до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство;

химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим — азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом его деятельности стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества СО₂ потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО₂ в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 20—30 лет количество СО₂ в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

ФИЗИКА

Основные понятия механики. Кинематика точки.

Физика – наука, занимающаяся изучением фундаментальной структуры материи и основных форм ее движения.

Механика – наука об общих законах движения тел. Механическим движением называется перемещение тел в пространстве относительно друг друга с течением времени.

Законы механики были сформулированы великим английским ученым И.Ньютоном. Было выяснено, что законы Ньютона, как любые другие законы природы, не являются абсолютно точными. Они хорошо описывают движение больших тел, если их скорость мала по сравнению со скоростью света. Механика, основанная на законах Ньютона, называется классической механикой.

Механика включает в себя: статику, кинематику, динамику.

Статика – условия равновесия тел.

Кинематика – раздел механики, изучающий способы описания движений и связь между величинами, характеризующими эти движения.

Динамика – раздел механики, рассматривающий взаимные действия тел друг на друга.

Механическим движением называется изменение пространственного положения тела относительно других тел с течением времени.

Материальная точка – тело, обладающее массой, размером которого можно пренебречь в данной задаче.

Траектория – это воображаемая линия, по которой движется материальная точка.

Положение точки можно задать с помощью радиус-вектора: r = r(t), где t – время, за которое произошло перемещение материальной точки.

Рис.1

Тело, относительно которого рассматривается движение, называется телом отсчета.

Например, тело находится в состоянии покоя по отношению к Земле, но движется по отношению к Солнцу.

Совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат и часов называют системой отсчета.

Направленный отрезок, проведенный из начального положения точки в ее конченое положение, называется вектором перемещения или просто перемещением этой точки.

Рис. 2

Δ r = r₂– r₁

Движение точки называется равномерным, если она за любые равные промежутки времен проходит одинаковые пути.

Равномерное движение может быть как прямолинейным, так и криволинейным. Равномерное прямолинейное движение – самый простой вид движения.

Скоростью равномерного прямолинейного движения точки называют величину, равную отношению перемещения точки к промежутку времени, в течение которого это перемещение произошло. При равномерном движении скорость постоянна.

V = Δ r/ Δt

Направлена так же, как и перемещение:

Рис.3

Графическое представление равномерного прямолинейного движения в различных координатах:

Рис.4

Уравнение равномерного прямолинейного движения точки:

r = r_о+ Vt

При проекции на ось ОХ уравнение прямолинейного движения можно записать так:

Х = Х₀+ V_хt

Путь, пройденный точкой определяется по формуле: S = Vt

Задачи

1. Найдите модуль и направление скорости точки, если при равномерном движении оп оси ОХ ее координаты за время t = 4 сек. Изменились от Х₁= 5 м до Х₂= -3 м

Решение:

Так как точка движется равномерно, то проекцию ее скорости на ось ОХ найдем по формуле:

Х₂ = Х₁+ V_хt

Отсюда находим:

V_х = Х₂– Х₁/ t = -3 -5/4 = -2 м/сек

Отрицательный знак проекции скорости означает, что скорость точки направлена противоположно положительному направлению оси ОХ. Модуль скорости равен 2 м/с

2. Точка движется равномерно и прямолинейно в положительном направлении оси ОХ. В начальный момент времени точка имела координату Х₀= -10 м. Найдите координату точки через 5 сек. От начала отсчета времени, если модуль ее скорости равен v = 2 м/сек.

Чему равен путь, пройденный точкой за это время?

Решение:

Определим координату точки по формуле: Х_t = Х₀+ Vt = -10 + 2·5 = 0

Определим перемещение точки: S = Vt = 2·5 = 10 м

3. При равномерном движении точки по прямой, совпадающей с осью ОХ, координата точки изменилась от Х₁= 8 м, до Х₂= 16 м. Найдите время, течение которого произошло изменение координаты, если модуль скорости равен 4 м/с. Какой путь пройден точкой за это время?

Решение:

Изменение координаты точки определяется по формуле: Х₂ = Х₁+ V_хt, выведем отсюда время: t = Х₂– Х₁/ V_х=16 – 8/4 = 16/4 = 4 сек.

Определим перемещение точки по формуле: S = Vt = 4·4 = 16 м.

Законы динамики И.Ньютона. Гравитационные силы

Динамикой называют раздел механики, в котором изучают различные виды механических движений с учетом взаимодействия тел между собой. Основы динамики составляют три закона Ньютона, являющиеся результатом обобщения наблюдений и опытов в области механических явлений, которые были известны еще до Ньютона и осуществлены самим Ньютоном.

Явление инерции

Проведем наблюдения за поведением различных тел относительно Земли, выбрав неподвижную систему отсчета, связанную с поверхностью Земли. Мы обнаружим, что скорость любого тела изменяется только под действием других тел. Например, пусть тело стоит на неподвижной тележке. Толкнем тележку - и тело опрокинется против движения. Если же, наоборот, резко остановить двигающуюся тележку с телом, оно опрокинется по направлению движения.

Очевидно, что если бы трение между тележкой и телом отсутствовало, то тело не опрокинулось бы. В первом случае произошло бы следующее: так как скорость стоящего тела равна нулю, а скорость тележки стала увеличиваться, тележка выскользнула бы из-под неподвижного тела вперед. Во втором случае при торможении тележки стоящее на ней тело сохранило бы свою скорость движения и соскользнуло вперед с остановившейся тележки.

Другой пример. Металлический шарик скатывается по наклонному желобу на горизонтальную плоскость с одной и той же высоты h (рис. 1),

Рис. 1.

следовательно, его скорость в точке, в которой он начинает горизонтальное движение, всегда одинакова. Пусть вначале горизонтальная поверхность посыпана песком. Шарик пройдет небольшое расстояние s₁ и остановится. Заменим песчаную поверхность гладкой доской. Шарик пройдет до остановки уже значительно большее расстояние s₂. Заменим доску льдом. Шарик будет катиться очень долго и пройдет до остановки расстояние s₃ >> s₂. Эта последовательность опытов показывает, что если уменьшать влияние окружающей среды на движущееся тело, его горизонтальное движение относительно Земли неограниченно приближается к равномерному и прямолинейному.

Явление сохранения телом состояния покоя или прямолинейного равномерного движения при отсутствии или компенсации внешних воздействий на это тело называют инерцией.

Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

К выводу о существовании явления инерции впервые пришел Галилей, а затем Ньютон. Этот вывод формулируется в виде первого закона Ньютона (закона инерции): существуют такие системы отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на нее внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называют инерциальными. Следовательно, инерциальными являются такие системы отсчета, относительно которых материальная точка при отсутствии на нее внешних воздействий или их взаимной компенсации покоится или движется равномерно и прямолинейно.

Масса. Сила. Второй закон Ньютона

Инертность и масса тела. Единица массы

Ускорением точки называется предел отношения изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло.

→ →

a = Δv/Δt

Единица измерения ускорения: м/с²

Движение тела под влиянием притяжения к земле называют свободным падением. Оно всегда вертикально направлено вниз. Его принято обозначать ĝ. Оно численно равно

9,8 м/с²

Свойство тела сохранять свою скорость неизменной, т. е. сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии внешних воздействий на это тело или их взаимной компенсации, называется его инертностью. Инертность тел приводит к тому, что мгновенно изменить скорость тела невозможно - действие на него другого тела должно длиться определенное время. Чем инертнее тело, тем меньше изменяется его скорость за данное время, т. е. тем меньшее ускорение получает это тело.

Количественную меру инертности тела называют его массой. Чем более инертно тело, тем больше его масса.

Наблюдения показывают, что для любых двух взаимодействующих между собой тел независимо от способа их взаимодействия отношение модулей ускорений, полученных телами в результате этого взаимодействия, всегда получается одинаковым. Следовательно, это отношение зависит от инертных свойств взаимодействующих тел, т. е. от их масс.

Как отмечалось выше, чем больше масса тела, тем меньшее ускорение получает данное тело при взаимодействии тел между собой. Поэтому можно предположить, что отношение модулей ускорений, получаемых телами при взаимодействии между собой, равно величине, обратной отношению масс этих тел, т. е.

a₁/a₂=m₂/m₁.

Сила. Второй закон Ньютона

Изменение скорости тела, т. е. появление ускорения, всегда происходит под действием на данное тело окружающих его тел. Для характеристики этих действий введено понятие силы.

Силой называют векторную величину, характеризующую такое действие на данное тело других тел, которое может вызвать ускорение и деформацию тела.

Сила векторная величина:

→ →

F=ma (1)

Формула (1) выражает второй закон Ньютона, который формулируют так: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на ускорение, сообщаемое этому телу силой.

Или: произведение массы на ускорение равно сумме действующих на тело сил:

→ → → →

ma = F₁+ F₂+ F₃+ …

Единица силы

Эту единицу силы обозначают 1 Н и называют ньютоном:

1Н=1кг·1м/с²=1кг·м·с^-2.

Третий закон Ньютона

Во всех случаях, когда какое-либо тело действует на другое, имеет место не одностороннее действие, а взаимодействие тел. Силы такого взаимодействия между телами имеют одинаковую природу, появляются и исчезают одновременно. При взаимодействии двух тел оба тела получают ускорения, направленные по одной прямой в противоположные стороны. Рис.2

Рис.2

→ →

F1=-F2 (2)

Равенство (2) выражает третий закон Ньютона: тела взаимодействуют друг с другом силами, равными по модулю и противоположными по направлению.

Каждая из сил взаимодействия приложена к тому телу, на которое она действует, т. е. эти силы приложены к разным телам. Следовательно, силы взаимодействия между телами не могут уравновесить (скомпенсировать) друг друга.

Приведем примеры, иллюстрирующие третий закон Ньютона. Возьмем в руки два одинаковых динамометра, сцепим их крюками и будем тянуть в разные стороны (рис. 3). Оба динамометра покажут одинаковые по модулю силы натяжения, т. е. F1=-F2.

рис.3

Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения

В 1687 г. Ньютон установил один из фундаментальных законов механики, получивший название закона всемирного тяготения: любые две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Эту силу называют силой тяготения (или гравитационной силой).

Формула закона всемирного тяготения для материальных точек

Если взаимодействующие между собой тела можно считать материальными точками или же если они имеют правильную сферическую форму, то формула закона всемирного тяготения имеет вид

F=G·m₁·m₂/r² (3)

где F - модуль силы тяготения; m1 и m2 - массы материальных точек; r - расстояние между ними; G - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной всемирного тяготения или гравитационной постоянной.

Силы, с которыми взаимно притягиваются тела по закону всемирного тяготения, являются центральными, т. е. они направлены вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих тел.

Числовое значение гравитационной постоянной устанавливают экспериментально. Впервые это сделал английский ученый Кэвендиш с помощью крутильного динамометра (крутильных весов).

В СИ гравитационная постоянная имеет значение

G = 6,67·10^-11 Н·м²/кг².

Следовательно, две материальные точки массой 1 кг каждая, находящиеся друг от друга на расстоянии 1 м, взаимно притягиваются гравитационной силой, равной 6,67·10^-11 Н

Сила упругости и силы трения

Виды деформаций

Деформацией называют изменение формы, размеров или объема тела. Деформация может быть вызвана действием на тело приложенных к нему внешних сил.

Деформации, полностью исчезающие после прекращения действия на тело внешних сил, называют упругими, а деформации, сохраняющиеся и после того, как внешние силы перестали действовать на тело, - пластическими.

Различают деформации растяжения или сжатия (одностороннего или всестороннего), изгиба, кручения и сдвига.

Силы упругости

При деформациях твердого тела его частицы (атомы, молекулы, ионы), находящиеся в узлах кристаллической решетки, смещаются из своих положений равновесия. Этому смещению противодействуют силы взаимодействия между частицами твердого тела, удерживающие эти частицы на определенном расстоянии друг от друга. Поэтому при любом виде упругой деформации в теле возникают внутренние силы, препятствующие его деформации.

Силы, возникающие в теле при его упругой деформации и направленные против направления смещения частиц тела, вызываемого деформацией, называют силами упругости. Силы упругости действуют в любом сечении деформированного тела, а также в месте его контакта с телом, вызывающим деформации. В случае одностороннего растяжения или сжатия сила упругости направлена вдоль прямой, по которой действует внешняя сила, вызывающая деформацию тела, противоположно направлению этой силы и перпендикулярно поверхности тела. Природа упругих сил электрическая.

Мы рассмотрим случай возникновения сил упругости при одностороннем растяжении и сжатии твердого тела.

Закон Гука

Связь между силой упругости и упругой деформацией тела (при малых деформациях) была экспериментально установлена современником Ньютона английским физиком Гуком. Математическое выражение закона Гука для деформации одностороннего растяжения (сжатия) имеет вид

f=-kx, (1)

где f - сила упругости; х - удлинение (деформация) тела; k - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров и материала тела, называемый жесткостью. Единица жесткости в СИ - ньютон на метр (Н/м).

Закон Гука для одностороннего растяжения (сжатия) формулируют так: сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению этого тела.

1. Рассмотрим опыт, иллюстрирующий закон Гука. Пусть ось симметрии цилиндрической пружины совпадает с прямой Ах (рис. 1):

Рис.1,б

Один конец пружины закреплен в опоре в точке А, а второй свободен и к нему прикреплено тело М. Когда пружина не деформирована, ее свободный конец находится в точке С. Эту точку примет за начало отсчета координаты х, определяющей положение свободного конца пружины.

Растянем пружину так, чтобы ее свободный конец находился в точке D, координата которой х>0: В этой точке пружина действует на тело М упругой силой

fх=-kx<0.

Сожмем теперь пружину так, чтобы ее свободный конец находился в точке В, координата которой х<0. В этой точке пружина действует на тело М упругой силой

fх=-kx>0.

Из рисунка видно, что проекция силы упругости пружины на ось Ах всегда имеет знак, противоположный знаку координаты х, так как сила упругости направлена всегда к положению равновесия С. На рис. 1, б изображен график закона Гука. На оси абсцисс откладывают значения удлинения х пружины, а на оси ординат - значения силы упругости. Зависимость fх от х линейная, поэтому график представляет собой прямую, проходящую через начало координат.

2. Рассмотрим еще один опыт.

Пусть один конец тонкой стальной проволоки закреплен на кронштейне, а к другому концу подвешен груз, вес которого является внешней растягивающей силой F, действующей на проволоку перпендикулярно ее поперечному сечению (рис. 2).

Рис. 2

Под действием приложенной к ней внешней силы проволока деформируется, растягивается. При не слишком большом растяжении эта деформация является упругой. В упруго деформированной проволоке возникает сила упругости f_уп.

Согласно третьему закону Ньютона, сила упругости равна по модулю и противоположна по направлению внешней силе, действующей на тело, т. е.

f_уп= -F

Пусть первоначальная длина нерастянутой проволоки составляла L₀. После приложения силы F проволока растянулась и ее длина стала равной L. Величину ΔL=L-L₀называют абсолютным удлинением проволоки.

Силы трения. Коэффициент трения

Классификация основных видов трения

При соприкосновении движущихся (или приходящих в движение) тел с другими телами, а также с частицами вещества окружающей среды возникают силы, препятствующие такому движению. Эти силы называют силами трения. Действие сил трения всегда сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю и вызывает нагревание тел и окружающей их среды.

Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью). Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.

Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.

Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение) и кинематическое трение. Трение покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места. Кинематическое трение существует между взаимно соприкасающимися движущимися твердыми телами. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.

В жизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу.

Трение покоя

Наблюдения показывают, что сила трения покоя всегда направлена противоположно действующей на тело внешней силе, стремящейся привести это тело в движение. До определенного момента сила трения покоя увеличивается с возрастанием внешней силы, уравновешивая последнюю. Максимальное значение силы трения покоя пропорционально модулю силы Fд давления, производимого телом на опору.

По третьему закону Ньютона сила Fд давления тела на опору равна по модулю силе N реакции опоры. Поэтому максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры. Для модулей этих сил справедливо следующее соотношение:

F_п=f_пN

где f_п - безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя. Значение этого коэффициента зависит от материала и состояния трущихся поверхностей.

Рис.3

Определить значение коэффициента трения покоя можно следующим образом. Пусть тело (плоский брусок) лежит на наклонной плоскости АВ (рис. 3). На него действуют три силы: сила тяжести F, сила трения покоя Fп и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая Fп силы тяжести представляет собой силу давления Fд, производимого телом на опору.

Тангенциальная составляющая Fт силы тяжести представляет собой силу, стремящуюся сдвинуть тело вниз по наклонной плоскости.

При малых углах наклона сила Fт уравновешивается силой трения покоя Fп и тело на наклонной плоскости покоится (сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе Fд, т. е. уравновешивает ее).

Виды кинематического трения

Трение скольжения

Трение скольжения возникает при скольжении одного твердого тела по поверхности другого. Закон для трения скольжения имеет вид

F_c= f_cN

где F_c - модуль силы трения скольжения; f_c - безразмерный коэффициент трения скольжения; N - модуль силы реакции опоры. Значение f_c зависит от того, из каких веществ изготовлены трущиеся поверхности и от качества их обработки. Если сделать поверхности более гладкими, значение fc уменьшится. Однако уменьшать шероховатость поверхностей можно лишь до определенного предела, так как при очень гладких (например, полированных) поверхностях значение fc вновь увеличивается. Происходит это потому, что молекулы тел с гладкими поверхностями близко подходят друг к другу и силы молекулярного притяжения между ними вызывают "прилипание" тел.

Задачи

1. Найдите удлинение буксирного троса жесткостью 100 кН/м при буксировке автомобиля массой 2 тонны с ускорением 0,5 м/с²Трением пренебречь.

Дано:

m = 2 т. = 2000 кг

а = 0,5 м/с²

х = 100 кН/м = 100000 Н/м

Найти: ΔL

Решение:

По третьему закону Ньютона сила, растягивающая трос, равна силе, действующей на автомобиль. В отсутствие силы трения на автомобиль в горизонтальном направлении другие силы не действуют, поэтому:

mа = F

Запишем для троса закон Гука: F = kΔl

mа = kΔl отсюда получим: Δl = mа/k = 2000 · 0,5/100000 = 0,01 м.

2. Оцените значение силы взаимного тяготения двух кораблей, удаленных друг от друга на 100 м, если масса каждого из них по 10000 т.

Дано:

m = 10000 т = 10 000 000 кг = 1·10⁷кг

R = 100 м

Найти: F - ?

Решение:

Из закона всемирного тяготения:

F = G·M₁_·M₂/ R²

G – гравитационная постоянная равна – 6,67·10^-11Н·м²/кг²

F = 6,67·10^-11·1·10^7·1·10⁷/ 100²= 1 Н

Закон сохранения импульса

1. Импульс материальной точки

Основную задачу механики - определение положения тела в любой момент времени - можно решить с помощью законов Ньютона, если известны силы, действующие на тело, как функции координат и времени. На практике эти зависимости не всегда известны. Однако многие задачи в механике можно решить, не зная значений сил, действующих на тело. Это возможно в том случае, если известны величины, характеризующие механическое движение тел и сохраняющиеся при определенных условиях. Такими величинами являются импульс, механическая энергия и момент импульса.

Импульсом тела (материальной точки) называют векторную величину, равную произведению массы тела на его скорость:

Единицей измерения импульса в СИ является 1 кг·м/с. Импульс тела направлен в ту же сторону, что и скорость тела.

2. Изменение импульса

В случае прямолинейного равномерного движения тела постоянной массы импульс тела остается величиной постоянной, если скорость или масса тела в процессе движения меняются, то импульс тела также меняется.

Изменение импульса тела равно:

Δр = F·Δt

Изменение импульса материальной точки пропорционально приложенной к ней силе и имеет такое же направление, как и сила.

Импульс тела является векторной величиной, и для правильного нахождения изменения импульса тела необходимо применять правила вычитания векторов. Так, например, при ударе тела массой m, движущегося со скоростью V, о неподвижную стенку изменение импульса тела показано на рисунке.

Если величина скорости тела при ударе не меняется, удар называется абсолютно упругим. В этом случае угол падения тела на стенку равен углу отражения тела .

Абсолютно неупругим называется такое столкновение, после которого, оба сталкивающихся тела движутся как единое целое и тем самым приобретают одинаковые скорости.

3. Закон сохранения импульса

При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, то такая система называется замкнутой.

В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Геометрическая (векторная) сумма импульсов взаимодействующих тел, составляющих замкнутую систему, остается неизменной.

Это равенство означает, что в результате взаимодействия двух тел их суммарный импульс не изменился. Рассматривая теперь всевозможные парные взаимодействия тел, входящих в замкнутую систему, можно сделать вывод, что внутренние силы замкнутой системы не могут изменить ее суммарный импульс, т. е. векторную сумму импульсов всех тел, входящих в эту систему.

Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса. Он является следствием из второго и третьего законов Ньютона.

Закон сохранения импульса во многих случаях позволяет находить скорости взаимодействующих тел даже тогда, когда значения действующих сил неизвестны. Примером может служить реактивное движение.

При стрельбе из орудия возникает отдача – снаряд движется вперед, а орудие – откатывается назад. Снаряд и орудие – два взаимодействующих тела. Скорость, которую приобретает орудие при отдаче, зависит только от скорости снаряда и отношения масс. Если скорости орудия и снаряда обозначить через V и v а их массы через M и m, то на основании закона сохранения импульса можно записать в проекциях на ось OX:

M· V + m· v = 0 Отсюда: V = - m· v / M

Задачи

1. Два шара с массами 0,5 кг и 0,3 кг движутся по гладкой горизонтальной поверхности навстречу друг другу со скоростями 2 м/с и 4 м/с. Найдите их скорость после центрального абсолютно неупругого удара.

Дано:

m₁= 0,5 кг

m₂= 0,3 кг

v₁ = 2 м/с

v₂ = 4 м/с

Найти: v - ?

Решение:

Согласно закону сохранения импульса: m₁_· v_{1 +}m_2· v₂= (m₁+ m ₂) v

Т.к. при проекции на ось ОХ направление скорости одного из шаров отрицательно, то

v = m₁_· v₁-m_2· v₂/ m₁+ m ₂= 0,5 · 2 - 0,3 · 4/ 0,5 + 0,3 = - 0,25 м/с

2. Неподвижный вагон массой 2·10⁴кг сцепляется с платформой массой 3·10⁴кг. До сцепки платформа имела скорость 1 м/с. Какова скорость вагона и платформы после их сцепки?

Решение: m₁_· v_1
+m_2· v₂= (m₁+ m ₂) v

Отсюда v = m₁_· v₁+m_2· v₂/ m₁+ m ₂= 2·10⁴· 0 + 3·10⁴· 1/( 2 + 3)· 10⁴= 0,6 м/с

3. На платформу массой 500 кг, движущейся по горизонтальному пути со скоростью 0,2 м/с, насыпали 100 кг щебня. Какой стала скорость платформы?

Решение: m₁_· v_1
+m_2· v₂= (m₁+ m ₂) v

Отсюда v = m₁_· v₁+m_2· v₂/ m₁+ m ₂= 500· 0,2/500+100 = 0,17 м/с

4. С какой скоростью должна лететь хоккейная шайба массой 160 г., чтобы ее импульс был равен импульсу пули массой 8 г., летящей со скоростью 600 м/с?

Решение:

Импульс пули равен Р_п= m_пv_п

Импульс шайбы Р_ш = m_шv_ш

Т.к. импульс шайбы равен импульсу пули, то m_пv_п= m_шv_шОтсюда v_ш= m_пv_п/ m_ш=

0,008 · 600 / 0,16 = 30 м/с

5. Поезд массой 2000 т, двигаясь прямолинейно, увеличил скорость от 36 до 72 км/ч. Найти изменение импульса.

Решение: Найдем модуль импульса поезда по формуле Р= mv

Р₁= mv₁= 2· 10⁶· 10 = 2· 10⁷кг · м/с

Р₂= mv₂= 2· 10⁶· 20 = 4· 10⁷кг · м/с

Изменение импульса Δ Р= Р₂– Р₁= (4 – 2) · 10⁷кг · м/с

Кинетическая и потенциальная энергия

Энергия – самая важная сохраняющаяся величина не только в механике, но и в физике.

Энергией называется скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Для характеристики различных форм движения материи вводятся соответствующие виды энергии, например: механическая, внутренняя, энергия электростатических, внутриядерных взаимодействий и др.

Энергия подчиняется закону сохранения, который является одним из важнейших законов природы.

Механическая энергия Е характеризует движение и взаимодействие тел и является функцией скоростей и взаимного расположения тел. Она равна сумме кинетической и потенциальной энергий.

Работа силы

Работа совершается в природе всегда, когда на какое-либо движущееся тело действует сила. Например: сила тяготения совершает работу при падении капель дождя или камня с обрыва; сила упругости, когда распрямляется согнутое ветром дерево и т.д.

Работа силы равна произведению модулей силы и перемещения тела.

А = F·Δr

Работа является скалярной величиной. Она может быть положительной, отрицательной и равной нулю. Единицей измерения работы является джоуль: 1 Дж = 1Н· 1м

Кинетическая энергия

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела.

Кинетическая энергия обозначается буквой E_k.

Теорема о кинетической энергии:

работа равнодействующей сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии тела.

A = Ek₂ – Ek₁.

Так как изменение кинетической энергии равно работе силы, кинетическая энергия тела выражается в тех же единицах, что и работа, т. е. в джоулях.

Если начальная скорость движения тела массой m равна нулю и тело увеличивает свою скорость до значения υ, то работа силы равна конечному значению кинетической энергии тела:

Физический смысл кинетической энергии:

кинетическая энергия тела, движущегося со скоростью υ, показывает, какую работу должна совершить сила, действующая на покоящееся тело, чтобы сообщить ему эту скорость.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия тел.

Потенциальная энергия поднятого над Землей тела – это энергия взаимодействия тела и Земли гравитационными силами. Потенциальная энергия упруго деформированного тела – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.

Потенциальными называются силы, работа которых зависит только от начального и конечного положения движущейся материальной точки или тела и не зависит от формы траектории.

При замкнутой траектории работа потенциальной силы всегда равна нулю. К потенциальным силам относятся силы тяготения, силы упругости, электростатические силы и некоторые другие.

Физическую величину, равную произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией взаимодействия тела и Земли.

Потенциальная энергия обозначается буквой Ер:

Ep = m∙g∙h.

Работа силы тяжести при перемещении тела массой m из точки, расположенной на высоте h2, в точку, расположенную на высоте h1 от поверхности Земли, по любой траектории равна изменению потенциальной энергии взаимодействия тела и Земли, взятому с противоположным знаком.

А= – (Ер₂ – Ер₁).

Значение потенциальной энергии тела, поднятого над Землей, зависит от выбора нулевого уровня, т. е. высоты, на которой потенциальная энергия принимается равной нулю. Обычно принимают, что потенциальная энергия тела на поверхности Земли равна нулю.

Физический смысл потенциальной энергии взаимодействия тела с Землей:

потенциальная энергия тела, на которое действует сила тяжести, равна работе, совершаемой силой тяжести при перемещении тела на нулевой уровень.

В отличие от кинетической энергии поступательного движения, которая может иметь лишь положительные значения, потенциальная энергия тела может быть как положительной, так и отрицательной. Тело массой m, находящееся на высоте h, где h < h0 (h0 – нулевая высота), обладает отрицательной потенциальной энергией:

Еp = –m∙gh

Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия

Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия системы двух материальных точек с массами т и М, находящихся на расстоянии r одна от другой, равна

где G – гравитационная постоянная, а нуль отсчета потенциальной энергии (Еp = 0) принят при r = ∞.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела

Физическая величина, равная половине произведения жесткости тела на квадрат его деформации, называется потенциальной энергией упруго деформированного тела:

Физический смысл потенциальной энергии деформированного тела

потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе, которую совершает сила упругости при переходе тела в состояние, в котором деформация равна нулю.

Задачи

Какую работу совершает сила тяжести, действующая на дождевую каплю массой 20 мг, при ее падении с высоты 2 км?

Дано:

m = 20 мг = 20· 10^{-6
кг}

h = 2 км = 2 ·10³м

Найти: А_т

Решение:

Работа сила тяжести находится по формуле: А= – (Ер₂ – Ер₁) , т.к. потенциальная энергия тела, находящегося на поверхности земли равна нулю Ер₂= 0 , то выражение можно записать: : А= – Ер₁= m∙g·h = 20· 10^-6· 2 ·10³· 9,8 = 0.39 Дж.

Скорость свободно падающего тела массой 4 кг на некотором пути увеличилась с 2 до 8 м/с. Найти работу силы тяжести на этом пути.

Решение:

При падении данного тела происходит изменение скорости тела, т.е. изменяется кинетическая энергия тела, поэтому:

А = Ек₂– Ек₁= m|/2 · (v²₂-v²₁) = 4/2· (8²– 2²) = 120 Дж.

3. Какую работу совершает человек при поднятии груза массой 2 кг на высоту 1 м с ускорением 3 м/с²?

Решение:

Работа при перемещении груза на высоту h равна: A = F · h (1)

Сила, с которой необходимо тянуть вверх груз заданной массы определяется согласно 2-му закону Ньютона: ma = F - m g

F = m (a + g)

Подставляем в формулу (1) : А = m h (a + g) = 2· 1 ·(3 + 9,8) = 26 Дж.

Закон сохранения энергии в механике.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями. Такие силы называются консервативными.

Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю. Это утверждение поясняет рис. 1.

Рис.1

Свойством консервативности обладают сила тяжести и сила упругости.

Замкнутая система – это система, на которую не действуют внешние силы или действие этих сил скомпенсировано. Если несколько тел взаимодействуют между собой только силами тяготения и силами упругости и никакие внешние силы на них не действуют, то при любых взаимодействиях тел работа сил упругости или сил тяготения равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком:

А = –(Ер₂ – Ер₁). (1)

По теореме о кинетической энергии, работа тех же сил равна изменению кинетической энергии:

A = Ek₂ – Ek₁. (2)

Из сравнения равенств и (2) видно, что изменение кинетической энергии тел в замкнутой системе равно по абсолютному значению изменению потенциальной энергии системы тел и противоположно ему по знаку:

Ek₂ – Ek₁ = –(Eр₂ – Ep₁) или Еk₁ + Ер₁ = Ek₂ + Ep₂. (3)

Закон сохранения энергии в механических процессах:

сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается постоянной.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел называется полной механической энергией.

Основное содержание закона сохранения энергии заключается не только в установлении факта сохранения полной механической энергии, но и в установлении возможности взаимных превращений кинетической и потенциальной энергии тел в равной количественной мере при взаимодействии тел.

Приведем простейший опыт. Подбросим вверх стальной шарик. Сообщив начальную скорость υ_нач, мы придадим ему кинетическую энергию, из-за чего он начнет подниматься вверх. Действие силы тяжести приводит к уменьшению скорости шарика, а значит, и его кинетической энергии. Но шарик поднимается выше и выше и приобретает все больше и больше потенциальной энергии (Ер = m∙g∙h). Таким образом, кинетическая энергия не исчезает бесследно, а происходит ее превращение в потенциальную энергию.

В момент достижения верхней точки траектории (υ = 0) шарик полностью лишается кинетической энергии (Ек = 0), но при этом его потенциальная энергия становится максимальной. Дальше шарик меняет направление движения и с увеличивающейся скоростью движется вниз. Теперь происходит обратное превращение потенциальной энергии в кинетическую.

Закон сохранения энергии раскрывает физический смысл понятия работы:

работа сил тяготения и сил упругости, с одной стороны, равна увеличению кинетической энергии, а с другой стороны, – уменьшению потенциальной энергии тел. Следовательно, работа равна энергии, превратившейся из одного вида в другой.

Задачи

1. Найти изменение потенциальной энергию тела массой 3 кг., падающего свободно с высоты 5 м, на расстояние 2 м от поверхности земли.

Дано:

m = 3 кг

h₁= 5 м

h₂= 2 м

Найти: Е_п

Решение: Потенциальная энергия определяется по формуле: Е_п= mgh

Изменение потенциальной энергии: ΔЕ_п= mgh₂– mgh₁= mg(h₁– h₂) = 3·9,8·(5-2) = 90 кДж.

2. Камень брошен вертикально вверх со скоростью 10 м/с. Определите кинетическую энергию камня, имеющего массу 3 кг.

Решение: Кинетическая энергия определяется по формуле: Е_к= mv²/2 = 3· 10²/2 = 150 Дж.

3. Для растяжения пружины на 4 мм необходимо совершить работу 0,02 Дж. Какую работу надо совершить, чтобы растянуть пружину на 4 см?

Решение: Работа, необходимая для растяжения пружины на расстояние х, равна:

А = k(Δx)²/2, где k – жесткость пружины. Эта формула позволяет найти жесткость при заданных работе и растяжении: k = 2А/ (Δx)²= 2·0,02/(0,004)²= 2500 Н/м

Теперь найдем работу: А = 2500·(0,04)²/2 = 2 Дж.

4. С балкона на высоте 15 м падает горшок с цветами массой 1 кг и попадает на крышу подъезда на высоте 5 м. Найти кинетическую и потенциальную энергию в начале и конце полета. Определите работу силы тяжести. Какова скорость горшка в момент касания крыши подъезда.

Решение:

Определим значение потенциальной энергии: Е_р1= mgh₁= 1·9,8·15 = 150 Дж

Е_р2= mgh₂= 1·9,8·5 = 50 Дж

Согласно закону сохранения энергии: Е_р1 + Е_{к 1}= Е_р2 + Е_{к 2}

Значение начальной кинетической энергии равно нулю, поэтому можно

Записать: Е_р1= Е_р2 + Е_{к 2}отсюда о Е_{к 2}=Е_р1- Е_р2= 150 – 50 = 100 Дж.

Значение конечной скорости можно определить из формулы:. Е_{к 2}= mv²₂/2

v²= 2· Е_{к 2}/m v = (2·100/1)^1\2= 14 м/с.

Работа силы тяжести определяется по формуле: А= – (Ер₂ – Ер₁) = - (50 – 150) = 100 Дж

Сводная таблица по теме: «Законы сохранения в механике»

Физическая величина или закон	Формула	Единица измерения
Импульс	Р = mv	кг·м/с
Импульс системы	Р_сист. = mv₁+ … mv_n	кг·м/с
Изменение импульса	Δр = F·Δt	Н·с
Работа силы	А = F·Δr	Н·м
Кинетическая энергия	Е_к= mv²/2	Дж
Теорема о кинетической энергии	А = Е_к2- Е_к2	Дж
Потенциальная энергия	Е_р= mgh	Дж
Работа силы тяжести	А= – (Ер₂ – Ер₁)	Дж
Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия		Дж
Потенциальная энергия упруго деформированного тела		Дж
Закон сохранения энергии	Еk₁ + Ер₁ = Ek₂ + Ep₂	Дж

Основы молекулярно-кинетической теории

Молекулярная физика - наука, занимающаяся изучением макроскопических свойств физических систем.

Молекулярная физика является статистической теорией, т. е. теорией, которая рассматривает поведение систем, состоящих из огромного числа частиц (атомов, молекул), на основе вероятностных моделей. Она стремится на основе статистического подхода установить связь между экспериментально измеренными макроскопическими величинами (давление, объем, температура и т.д.) и микроскопическими характеристиками частиц, входящих в состав системы (масса, импульс, энергия и т.д.).

Молекулярно-кинетическая теория

МКТ - называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов

2. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы, которые могут взаимодействовать между собой.

3. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Наиболее ярким экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном движении атомов и молекул является броуновское движение. Это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Р. Броуном в 1827 г. Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул. Из-за хаотического теплового движения молекул эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую. Теория броуновского движения была создана А. Эйнштейном в 1905 г. Экспериментально теория Эйнштейна была подтверждена в опытах французского физика Ж. Перрена, проведенных в 1908–1911 гг.

Постоянное хаотичное движение молекул вещества проявляется также в другом легко наблюдаемом явлении – диффузии. Диффузией называется явление проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друг в друга. Наиболее быстро процесс протекает в газе, если он неоднороден по составу. Диффузия приводит к образованию однородной смеси независимо от плотности компонентов. Так, если в двух частях сосуда, разделенных перегородкой, находятся кислород O₂ и водород H₂, то после удаления перегородки начинается процесс взаимопроникновения газов друг в друга, приводящий к образованию взрывоопасной смеси – гремучего газа. Этот процесс идет и в том случае, когда легкий газ (водород) находится в верхней половине сосуда, а более тяжелый (кислород) – в нижней.

Значительно медленнее протекают подобные процессы в жидкостях. Взаимопроникновение двух разнородных жидкостей друг в друга, растворение твердых веществ в жидкостях (например, сахара в воде) и образование однородных растворов – примеры диффузионных процессов в жидкостях.

В реальных условиях диффузия в жидкостях и газах маскируется более быстрыми процессами перемешивания, например, из-за возникновения конвекционных потоков.

Наиболее медленно процесс диффузии протекает в твердых телах. Однако, опыты показывают, что при контакте хорошо очищенных поверхностей двух металлов через длительное время в каждом из них обнаруживается атомы другого металла.

Диффузия и броуновское движение – родственные явления. Взаимопроникновение соприкасающихся веществ друг в друга и беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходят вследствие хаотичного теплового движения молекул.

В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях порядка 10^–8 м, т. е. в десятки раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда.

Идеальный газ

Для установления законов поведения макроскопических систем, состоящих из огромного числа частиц, в молекулярной физике используются различные модели вещества, например, модели идеального газа.

Идеальный газ – газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше потенциальной энергии взаимодействия.

Предельную температуру, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированной м объеме или объем идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении называют абсолютным нулем.

Английский ученый Кельвин ввел абсолютную шкалу температуры. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия. Т = t + 273

Температура – мера средней кинетической энергии молекул. Е = (3/2)·kT

Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.

Уравнение состояния идеального газа:

РV = (m\M)· R T

R – универсальная газовая постоянная численно равна – 8,31 Дж/(моль·К)

Уравнение идеального газа связывает между собой три макроскопических параметра – давление, температуру и объем

Масса молекул. Количество вещества

Единица количества вещества называется молем (моль).

Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько содержится атомов в 12 г вещества углерода.

Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется постоянной Авогадро N_А: N_А= 6,02·10²³ моль–1.

Постоянная Авогадро – одна из важнейших постоянных в молекулярно-кинетической теории.

Количество вещества ν определяется как отношение числа N частиц (молекул) вещества к постоянной Авогадро N_А: ν = N/ N_А

Массу одного моля вещества принято называть молярной массой M.

Молярная масса выражается в килограммах на моль (г/моль). Для веществ, молекулы которых состоят из одного атома, часто используется термин атомная масса.

За единицу массы атомов и молекул принимается 1/12 массы атома углерода 12C Она называется атомной единицей массы (а. е. м.): 1 а. е. м. = 1,66·10^–27 кг.

Относительная атомная масса – безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента к 1 а.е.м. Аr = m(атома)/1 а.е.м.

Значения относительных атомных масс указаны в таблице Д.М.Менделеева.

Относительная молекулярная масса – безразмерная величина, находится как сумма относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекул.

Мr(H₂SO₄) = 1·2 + 32 = 16·4 = 98

Относительная молекулярная масса численно совпадает с относительной молекулярной. Мr(H₂SO₄) = М(H₂SO₄) = 98 г/моль

Абсолютная масса молекулы – равна произведению молярной массы, умноженной на количество моль вещества: m = M· ν

Задачи

1. Определите относительную молекулярную массу веществ, молекулярные формулы которых: N₂O₅, K₂CO₃,Zn(NO₃)₂, CaCO₃

Мr(N₂O₅) = 14·2 + 16·5 = 108

Мr(K₂CO₃) = 39·2 + 12 = 16·3 = 138

Мr(Zn(NO₃)₂ = 65 + (14 + 16·3) ·2 = 189

Мr(CaCO₃) = 40 + 12 + 12·3 = 100

2. Заполнить таблицу, определив неизвестные величины:

Формула вещества	Молярная масса, М (г/моль)	Абсолютная масса молекулы, m (г.)	Количество вещества, ν (1/моль)	Число частиц, N
О₂	32	32·4 = 128	4	4·6,02·10²³= 24·10²³
SO₂	64	32	32/64 = 0,5	0,5·6,02·10²³= 3·6,02·10²³
NH₃	17	17·2 = 34	2	12·10²³

3. Плотность воздуха при нормальных условиях ( t₀= 0⁰C и атмосферном давлении Р₀= 101325 Па.) равна 1,29 кг/м³. Найдите среднюю молярную массу воздуха.

Решение: Уравнение состояния идеального газа:

РV = (m\M)· R T Отсюда находим молярную массу: М = mRT_o=

V Р₀

= ρ₀R Т₀/ Р₀= 1,29·8,31·273/101325 = 0,029 кг/моль

Электростатика. Электрический заряд. Элементарные частицы

Тела могут взаимодействовать между собой силами различной природы: гравитационными, электромагнитными, сильными (ядерными) и слабыми (взаимодействия, обусловленные процессами с участием нейтрино). Электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и по разнообразию проявлений.

Электродинамика – это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.

Раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрически заряженных тел, называют электростатикой.

Электрический заряд

Все тела простроены из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые и поэтому называются элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и поэтому притягиваются друг к другу согласно закону Всемирного тяготения. С увеличением расстояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Большинство элементарных частиц, кроме того, обладают способностью взаимодействовать друг с другом силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила в огромное число раз превосходит силу тяготения.

Если частицы взаимодействуют друг с другом силами, которые убывают с увеличением расстояния также, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами

Частицы называют заряженными. Бывают частицы без заряда, но не бывает заряда без частицы.

Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.

Заряженные частицы могут притягиваться и отталкиваться друг от друга. Это объясняется тем, что в природе есть частицы с электрическими зарядами противоположных знаков; при зарядах одинаковых знаков частицы отталкиваются; а при разных – притягиваются.

Заряд элементарных частиц – протонов, входящих в состав атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов – отрицательным. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет.

Кроме электронов и протонов, есть еще несколько типов заряженных элементарных частиц. Но только электроны и протоны могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Остальные же заряженные частицы живут менее миллионных долей секунды. Они рождаются при столкновениях быстрых элементарных частиц и, просуществовав ничтожно мало, распадаются, превращаясь в другие частицы.

К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон. Он также, как и протон входит в состав атомного ядра.

Закон Кулона

Открытие взаимодействия неподвижных друг относительно друга электрических зарядов было сделано под влиянием идей Ньютона и, в частности, его законов всемирного тяготения. В середине 18 века уже высказывались предположения, что закон взаимодействия зарядов аналогичен закону всемирного тяготения. Первым доказал это экспериментально англичанин Кевендиш. Но этот выдающийся ученый отличался странностями. Своих работ по электричеству Кевендиш не печатал. Более ста лет рукописи пролежали в библиотеке Кембриджского университета, пока их не извлек Максвелл и не опубликовал. К этому времени закон взаимодействия зарядов был установлен во Франции Шарлем Кулоном и с тех пор носит его имя. Его открытие было сделано в 1785 году.

Опыты Кулона привели к открытию закона, поразительно напоминающего закон тяготения. Сила взаимодействия неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

| g₁| · | g₂|

F = k R²

k – коэффициент пропорциональности, численно равный силе взаимодействия единичных зарядов на расстоянии равном единицы длины. Его значение зависит от выбора системы единиц. В системе СИ его значение равно - 9·10⁹Н·м²/Кл²

| g₁| и | g₂| - модули зарядов двух частиц.

R – расстояние между частицами.

Силы взаимодействия двух неподвижных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела.

Единицей заряд является Кулон. Один кулон (1 Кл) – это заряд, проходящий за 1 секунду через поперченное сечение проводника при силе ток 1 Ампер.

Коэффициент k в законе Кулона при записи его в единицах СИ выражается в Н·м²/Кл²

Минимальный заряд, существующий в природе, - это заряд элементарных частиц. В единицах СИ модуль этого заряда равен: е = 1,6·10^-19 Кл.

Задачи

1. Сколько электронов содержится в капле воды массой 0,6 г? Масса молекулы воды - 3·10^{-23 г.}

Дано:

m = 0,6 г

m₀=3·10^{-23 г.}

H₂O

Решение:

Молекула Н₂О содержит 10 электронов, так как молекула состоит из двух атомов водорода, каждый из которых имеет по одному электрону и одного атома кислорода, которых содержит восемь электронов.

В капле воды содержится m/ m₀молекул, т.е. m/ m₀= 0,6/3·10^-23= 2·10²²молекул, и следовательно, 2·10²²электронов.

2. Определите, с какой силой взаимодействуют между собой два шарика, если один из них имеет заряд - 2·10^-10Кл, а другой - 4·10^-11Кл, если они находятся на расстоянии

2 м?

Решение:

F = 9·10⁹· 2·10^-10· 4·10^-11/ 2²= 18·10^-12Н

3. Определите расстояние, на котором находятся два взаимодействующие между собой заряженные шарики, если сила взаимодействия составляет 5 ·10^-6Н, а заряды 5·10^-10Кл и ·10^-12Кл соответственно.

Решение:

R²= k·g₁· g₁/ F = 9·10⁹· 5·10^-10· 6·10^-12/5·10^-6 = 54·10^-7 Отсюда находим r = 0,023 м.

4. С какой силой будут взаимодействовать две капли воды на расстоянии 1 м, если бы удалось передать одной из капель 1% всех электронов, содержащихся в другой капле массой 0,6 г?

Решение:

Используя данные предыдущей задачи можно сказать, что в одной капле воды массой 0, 6 г содержится 2·10²²электронов. Следовательно, одна капля будет содержать 2·10²²+ 2·10²²·0,01 = 2,02 ·10²²электронов, другая 2·10²²- 2·10²²·0,01 = 1,98 ·10²²электронов.

Взаимодействие между каплями воды будет происходить за счет разницы между количеством электронов в одной и другой капле: 2,02 ·10²² - 1,98 ·10²²= 0,04 ·10²²

Сила взаимодействия будет определяться: F = 9·10⁹· 0,04 ·10²² · 1,6 10^-19/1 =

0,576·10¹²Н

Законы постоянного тока. Сила тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление

Неподвижные электрические заряды редко используются на практике. Для того, чтобы использовать электрические заряды на практике, необходимо привести их в движение – создать электрический ток.

Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц (свободных электронов или ионов).

При этом через поперечное сечение проводника переносится электрический заряд ( при тепловом движении заряженных частиц суммарный перенесенный электрический заряд = 0, т.к. положительные и отрицательные заряды компенсируются).

Электрический ток имеет определенное направление. За положительное направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Действия электрического тока (в проводнике)

Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают:

1) проводник, по которому течет ток, нагревается;

2) электрический ток может изменять химический состав проводника ( на электродах выделяются вещества, входящие в состав электролита)

3) ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Это действие тока называется магнитным.

Количественная характеристика электрического тока

Сила тока - это отношение заряда q, перенесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени t к этому интервалу.

Постоянный ток – электрический ток, у которого сила тока со временем не меняется.

Сила тока зависит от заряда частицы, концентрации частиц, скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

где S - площадь поперечного сечения проводника, q_o – электрический заряд частицы,

n - концентрация частиц, v - скорость упорядоченного движения электронов.

Единица измерения силы тока:

Условия, необходимые для существования электрического тока

1) Наличие свободных электрически заряженных частиц;

2) Наличие внутри проводника эл.поля действующего с силой на заряженные частицы для их упорядоченного движения ( свободные электроны по инерции, без действия силы, перемещаться не могут из-за тормозящего воздействия на них кристаллической решетки).

Если в проводнике существует эл. поле, то между концами проводника есть разность потенциалов.

Если разность потенциалов постоянна во времени, в проводнике течет постоянный ток.

Закон Ома для участка цепи

Согласно закону Ома для участка цепи сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

где U - напряжение на концах участка цепи, R - сопротивление участка цепи. (сам проводник тоже можно считать участком цепи).

Для каждого проводника существует своя определенная вольт-амперная характеристика.

Сопротивление

- основная электрическая характеристика проводника.

- по закону Ома эта величина постоянна для данного проводника.

1 Ом - это сопротивление проводника с разностью потенциалов на его концах

в 1 В и силой тока в нем 1 А.

Сопротивление зависит только от свойств проводника:

где S - площадь поперечного сечения проводника, l - длина проводника,

р_о - удельное сопротивление, характеризующее свойства вещества проводника.

Электрические цепи

От источника тока энергия может быть передана по проводам к устройствам, потребляющим энергию: электрической лапе, радиоприемнику и т.д., т.е. электрическая цепь состоит из: 1) источника,

2) потребителя электрического тока,

3) проводов, выключателя.

Последовательное соединение проводников

I - сила тока в цепи

U - напряжение на концах участка цепи

R - полное сопротивление участка цепи

Параллельное соединение проводников

I - сила тока в неразветвленном участке цепи

U - напряжение на концах участка цепи

R - полное сопротивление участка цепи

Вспомни, как подключаются измерительные приборы:

Амперметр - включается последовательно с проводником, в котором измеряется сила тока.

Вольтметр - подключается параллельно проводнику , на котором измеряется напряжение.

книги по физике

Задачи

1. Сила тока в цепи, содержащий реостат, составляет 5 А, напряжение между клеммами реостата 15 В. Каково сопротивление той части реостата, в которой существует ток?

Дано:

I = 5 А

U = 15 В

Найти: R - ?

Решение:

Согласно закону Ома I = U/ R Отсюда находим сопротивление: R = U/ I = 15/5 = 3 Ом

2. Найдите сопротивление стальной проволоки длиной 200 м и сечение 0,6 мм^2.

Дано:

L ₌300 м

S ₌0,6 мм²= 6·10^{-7 м2}

ρ_сталь= 2*10^-7Ом·м

R= ρ·

R= 2·10^-7·300/6·10^-7= 100 Ом

Найти R -?

3. Каково будет сопротивление медной проволоки длиной 1 м и поперечным сечением в 1 мм²

Дано:

L ₌1 м

S ₌1 мм²= 1·10^{-6 м2}

Ρ_меди= 1,7*10^-4Ом·м

R= ρ·

R= 1,7·10^-⁴·1/1·10^-4= 1,7 Ом

Найти R -?

4. Определите полное сопротивление участка цепи при последовательном и параллельном соединении проводников, если известно, что сопротивление каждого составляет по 5 Ом.

Решение:

1) R = R₁+R₂= 5 + 5 = 10 Ом

2) 1/R = 1/R₁+ 1/R₂ Отсюда находим общее сопротивление цепи: R = R_1·R₂/ R₁+R₂=

5·5/5+5 = 2,5 Ом

Скачано с www.znanio.ru

Пояснительная записка

И.Ньютона, превращение энергии, современное представление об элементарных частицах, клеточное строение живой материи, основные этапы эволюции органического мира, эволюционная теория