Вопрос 1. Клетка – структурная и функциональная единица организмов всех царств живой природы
Все ныне существующее разнообразие живых организмов ученые распределяют по четырем царствам: вирусы, грибы, растения, животные. Представители трех последних царств имеют клеточное строение, что свидетельствует об их родстве. Вирусы – неклеточная форма жизни.
Организмы могут быть представлены одной-единственной клеткой (простейшие) или могут состоять из множества клеток. Одноклеточные стоят на более низком уровне развития, нежели многоклеточные, но строение и функционирование клеток тех и других практически одинаково, что говорит об их филогенетическом родстве (многоклеточные произошли от одноклеточных). Преимущество многоклеточных состоит в том, что все свойства и особенности клеток (обмен веществ, движение, размножение, смерть) повторены много раз, что приводит к увеличению продолжительности жизни особи, возможности оставить больше потомков и меньшей зависимости от внешних условий.
Клетки разных организмов имеют сходное строение. Все живые организмы по строению клеток делятся на две основные группы: прокариоты и эукариоты. Прокариоты не имеют четко оформленного ядра, органеллы (кроме рибосом) заменены мембранными структурами. В клетках эукариотических организмов имеются ядра и набор органелл в зависимости от вида и функций клетки. Несмотря на единый принцип строения и сходный химический состав, между клетками эукариотических организмов разных царств имеются существенные различия. Все клетки имеют оболочку – плазмалемму, выполняющую одинаковые функции независимо от принадлежности клетки к какому-либо царству. Клетки растений и грибов имеют жесткую клеточную оболочку – клеточную стенку. У грибных клеток она состоит из хитина, а у растительных – из целлюлозы. Клетки бактерий окружены слизистой капсулой. Животные клетки клеточной стенки не имеют. Форма, размеры клеток различны и зависят от выполняемых функций. Точно так же все клетки имеют ядро и цитоплазму с основным набором органелл: эндоплазматической сетью, аппаратом Гольджи, рибосомами, митохондриями, лизосомами. Каждая из этих органелл выполняет свою функцию, но их деятельность в зависимости от потребностей клетки ослабевает или усиливается.
Клетка – не только структурная, но и функциональная единица живого организма, так как способна потреблять и преобразовывать энергию и вещество. Все вещества, поступившие в клетку извне, вовлекаются в метаболизм состоящий из пластического обмена и энергетического обмена. Эти два процесса неразрывно связаны между собой. Синтетические реакции, в ходе которых вырабатываются вещества, необходимые клетке, нуждаются в энергии. Энергия освобождается при распаде (окислении) веществ в ходе диссимиляции. Реакции распада происходят в присутствии ферментов, образуемых при ассимиляции. Взаимосвязь пластического и энергетического обменов определяет функциональную целостность клетки.
Все клетки растут и размножаются. Размножение происходит путем митоза. Деление наступает из-за изменения отношения объема цитоплазмы к объему ядра. При митозе наследственная информация передается дочерним клеткам целиком. В результате митоза получаются генетически идентичные клетки (особи у простейших). В многоклеточном организме митоз – способ роста.
Таким образом, по положению «один» клеточной теории, клетка – структурная и функциональная единица всего живого.
Вопрос 2. Палеонтологические, сравнительно-анатомические, эмбриологические доказательства эволюции органического мира
Сведения, подтверждающие теорию эволюции органического мира, поступают из разных разделов биологии. Среди них – палеонтология, сравнительная эмбриология, анатомия и морфология.
Палеонтология изучает ископаемые останки организмов, живших когда-то на планете. Установление возраста пород, в которых были найдены останки, позволяет определить период, в котором жил данный организм. На основе этого была построена геохронологическая шкала групп животных и растений. Самые древние организмы были очень примитивны и неразнообразны. Их останки находят в древних породах. В молодых породах появляются останки все более разнообразных и усложняющихся организмов. Существование переходных форм, сочетающих примитивные и более высокоорганизованные признаки – одно из основных доказательств эволюции. Каждый вид появлялся в соответствии с условиями, преобладающими в его время, процветал, а затем вымирал, уступая близкородственному виду. Примерами таких переходных форм являются: 1) археоптерикс – ископаемая первоптица юрского периода, связующее звено между рептилиями и птицами, 2) семенные папоротники – переходная форма между папоротниковидными и голосеменными.
Ископаемые данные не дают полной картины развития органического мира (следствие неблагоприятных условий для окаменения, быстрого разложения мягкотелых организмов, затруднения при исследовании морского дна), но все же свидетельствуют о прогрессивном развитии органического мира.
Сравнительно-анатомические доказательства эволюции появляются при установлении степени сходства и различий в строении организмов. Во-первых, все организмы имеют клеточное строение. Во-вторых, при сравнении организмов можно выделить гомологичные и аналогичные органы. Гомологичные органы имеют общее происхождение, сходное строение и положение в организме, но выполняют различные функции. Они являются примерами адаптации к разным условиям среды и доказательством близкого филогенетического родства. Примером могут служить конечности позвоночных, построенные по одному плану пятипалой конечности. Аналогичные органы не обладают общим строением и происхождением, но выполняют сходные функции. Примеры: глаза позвоночных и насекомых, крылья бабочек и птиц. Аналогичные органы служат доказательством приспособительного характера эволюции.
Существование рудиментов (аппендикса у человека, тазовых костей змей и китов и др.), проявление атавизмов (обильного волосяного покрова на лице, руках и теле, увеличение числа копчиковых позвонков у людей) также являются доказательствами эволюции.
Данные эмбриологии имеют очень большое значение для обоснования теории эволюции. Геккелем был сформулирован биогенетический закон: зародыш в своем развитии (онтогенезе) повторяет историческое развитие группы, к которой он принадлежит (филогенез). Например, если взять позвоночных, их зародыш на определенных этапах приобретает жабры и жаберные щели, двухкамерное сердце с одним кругом кровообращения и т. п.
В дальнейшем различные ученые (А. Н. Северцев, А. О. Ковалевский) уточняли данные эмбриологии и доказали, что онтогенез повторяет не строение взрослых предковых форм, а стадии их зародышей.
Имеются биохимические доказательства родства и эволюции мира: сходство аминокислотных последовательностей в белках и нуклеотидных последовательностей в ДНК у разных таксономических групп (чем больше сходства, тем ближе родство) и другие.
Вопрос 3. Рассмотреть внешнее строение цветка насекомоопыляемого растения и выявить приспособленность к опылению насекомыми. Объяснить, как могло возникнуть это приспособление
Переносчиками пыльцы при перекрестном опылении чаще всего являются насекомые. Эволюция покрытосеменных насекомоопыляемых растений шла совместно с эволюцией насекомых-опылителей по пути тесного приспособления цветка и насекомого друг к другу.
К числу таких приспособлений следует отнести оптические средства привлечения, которые способствуют зрительной ориентации насекомых в поисках нужного растения. Цветки насекомоопыляемых растений, как правило, либо крупные, одиночные, ярко окрашенные (шиповник, пион, гвоздика, мак и др.), либо мелкие, собранные в хорошо заметные соцветия, имитирующие цветок (корзинки сложноцветных, соцветия сирени, акации, черемухи и т. д.). Немаловажную роль играет окраска лепестков венчика цветка. Раннецветущие виды растений имеют чаще всего фиолетовые и синие цветки, заметные на фоне проталин. Белые и желтые венчики выделяются на фоне ярко-зеленой травы у тех видов растений, которые цветут в летний период. Каждому виду насекомых-опылителей свойственно определенное цветовосприятие, поэтому их привлекают цветки определенной окраски. Кроме того, у львиного зева, орхидных основание венчика имеет характерный рисунок в виде точек и пунктирных линий, указывающий насекомому место посадки.
Большое значение в поисках пищи для насекомых имеют запахи цветков. Хорошо развитое обоняние позволяет насекомым находить цветки как с приятным ароматом, так и с резким запахом.
Окраска, форма, размеры, запахи цветков служат для насекомых лишь указателями на присутствие в них главной приманки – пыльцы и нектара.
Строение ротового аппарата насекомых-опылителей, посещающих цветки растений определенного вида, приспособлены для сбора нектара, который находится у основания лепестков венчика в виде специальных кармашков-нектарников (лютиковые).
Цветки некоторых растений насекомые посещают ради пыльцы, которую они поедают сразу или собирают в прок как пищу для личинок. Большое количество тычинок (до 100 и более), хорошо развитые крупные пыльники на относительно коротких тычиночных нитях являются признаками цветков насекомоопыляемых растений.
Вопрос 1. Строение и жизнедеятельность растительной клетки
Растительная клетка, как типичная эукариотическая, состоит из трех компонентов: оболочки, цитоплазмы и ядра. Характерными ее особенностями являются толстая целлюлозная клеточная стенка, наличие в цитоплазме вакуолей, пластид, отсутствие центриоли. Резервный углевод – крахмал.
Оболочку составляют цитоплазматическая мембрана (плазмалемма) и клеточная стенка, которая отходит кнаружи от мембраны. Клеточная стенка состоит из целлюлозы, поэтому она определяет форму клетки; дает прочность. Через срединные пластинки, соединяющие соседние клеточные стенки, проходят плазмодесмы, осуществляющие связь соседних протопластов в единую систему.
Ядро – наиболее важная структура клетки, необходимая для жизнедеятельности. Ядро окружено ядерной оболочкой из двух мембран, в которой имеются поры, через них происходит обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Внутри находится нуклеоплазма (кариоплазма), содержащая ионы, белки, нуклеотиды, хроматин и ядрышко. Хроматин – спирально закрученные молекулы ДНК, соединенные с белками-гистонами. В ядре заметно ядрышко – округлая структура, выполняющая функцию синтеза рибосомальных единиц. Клетку заполняет цитоплазма, состоящая из основного вещества, органелл и включений. Основное вещество– водный раствор неорганических и органических веществ, заполняющий пространство между органеллами. В нем протекают различные химические реакции и физиологические процессы.
Включения – временные образования в клетке, появляющиеся и исчезающие в процессе метаболизма (секреторные гранулы, запасающие вещества; продукты обмена веществ и т. д.).
В клетках содержаться мембранные и немембранные органеллы. К немембранным относят цитоскелет и рибосомы. Цитоскелет формируется из микротрубочек, он поддерживает форму клетки, осуществляет внутриклеточный транспорт и участвует в эндоцитозе. Рибосомы – очень мелкие органеллы, состоящие из двух субъединиц, большой и малой, содержат белок и РНК. Их функция – синтез белков.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – одномембранная органелла, разветвленная система канальцев и цистерн. ЭПС бывает шероховатой и гладкой. К шероховатой ЭПС прикреплены рибосомы. Здесь происходит модификация белков. В гладкой ЭПС синтезируются липиды, гормоны. ЭПС дает начало аппарату Гольджи, лизосомам, вакуолям.
Аппарат Гольджи (АГ) представляет стопку мембранных пузырьков. В АГ происходит накопление веществ синтезированных в ЭПС, а также регенерация и рост плазмалеммы; от АГ отщепляются лизосомы.
Лизосомы – одномембранные органеллы в виде сферических мешочков, заполненных ферментами. Лизосомы могут переваривать компоненты собственной клетки, например, в условиях голодания или деградирования структуры.
Митохондрии – двухмембранные органеллы, внутренняя мембрана образует многочисленные выросты – кристы. Пространство между кристами заполнено матриксом. На кристах и в матриксе содержатся ферменты, участвующие в катаболизме. Пластиды свойственны только растительной клетке, являются местом синтеза и хранения углеводов. Все пластиды двухмембранны.
В хлоропластах идет процесс фотосинтеза. При распаде хлорофилла хлоропласты переходят в хромопласты, которые за счет каротиноидов обеспечивают различную окраску: красную, желтую, желто-бурую. Очень много хромопластов содержится в цветках и плодах растений. Для хранения питательных веществ приспособлены лейкопласты. Их много в корнях, семенах и т. д.
Вакуоли растительных клеток крупные, одномембранные. Заполняет вакуоль клеточный сок – водный раствор неорганических солей, органических веществ, кислорода, углекислого газа и т. д. Вакуоль поддерживает тургор клетки и играет роль в общем водном режиме растения.
Вопрос 2. Ароморфоз – главное направление эволюции. Основные ароморфозы в эволюции позвоночных
С момента своего возникновения жизнь на нашей планете развивалась от простого к сложному, увеличивала свое разнообразие, специализировалась, приспосабливалась к различным и меняющимся условиям. Разработкой проблемы главных направлений эволюции занимались Ж. Б. Ламарк, Ч. Дарвин, Б. Реши, Дж. Хаксли, а в нашей стране этот вопрос разрабатывался А. Н. Северцовым и его школой. Он предложил выделить биологический прогресс из общего понятия эволюции. Биологический прогресс (вида и надвидных таксонов) характеризуется увеличением численности, расширением занимаемого ареала и увеличением количества таксонов. Одним из основных путей биологического прогресса является ароморфоз. Ароморфозы – это усложнения строения и функций, ведущие к общему повышению уровня жизнеспособности.
Ароморфозы обеспечивают поднятие уровня организации организмов на более высокий уровень. Изменения в строении организмов носят общий характер, не являются приспособлением к каким-либо специальным условиям.
Прогресс достигается усилением, дифференцировкой и усложнением функций органов и соответствующими изменениями в строении этих органов.
В основе ароморфозов лежит какое-либо частное приспособление, дающее в данных условиях среды крупное преимущество для организма и ставящее его в благоприятные условия для размножения, увеличивая численность. В этих благоприятных условиях затем перестраивается вся его организация. Ароморфозы передаются из поколения в поколение и приводят к образованию крупных таксонов – классов, типов и т. д.
Ароморфозы формируются на основе наследственной изменчивости и естественного отбора и являются приспособлениями широкого значения. Они дают преимущества в борьбе за существование и открывают возможности освоения новой, прежде недоступной среды обитания.
Основные ароморфозы позвоночных:
· возникновение у панцирных рыб челюстей для активной охоты в результате жесткой конкуренции за пищевые ресурсы;
· легочное дыхание и трехкамерное сердце у двоякодышащих и кистеперых рыб;
· развитие пятипалой конечности у первых наземных позвоночных – стегоцефалов;