Неблагоприятные условия внешней среды (мороз, засуха, недостаток влаги, света, уменьшение содержания растворенного в воде кислорода и т. д.) препятствуют нормальной жизнедеятельности организмов. В сильные морозы увеличивается вероятность гибели среди животных, обитающих в почве (кроты, дождевые черви). Зимой при недостатке растворенного в воде кислорода погибают водные животные, рыбы. Семена растений заносятся ветром в неблагоприятные места и не прорастают. Неприспособленные организмы не оставляют потомства. Из курса 10 класса известно, что изменчивость - это свойство, характерное для всех организмов. Изменение организмов под влиянием условий внешней среды называется модификационной изменчивостью, а изменение генов и хромосом - мутационной изменчивостью. Модификационную изменчивость иногда называют ненаследственной изменчивостью. Развитие фенотипа организма определяется взаимодействием его наследственной основы-генотипа - с условиями внешней среды. При одном и том же генотипе, но при разных условиях развития признаки организма (его фенотип) могут существенно различаться. Посредством модификационной изменчивости у многих особей повышается приспособляемость к окружающей среде, что может иметь важное значение для сохранения и процветания вида.
Модификационная изменчивость встречается у организмов всех видов под воздействием новых жизненных условий, но она не наследуется. Причины этого заключаются в изменении признаков потомков в новых условиях среды и формировании у них приспособленности. Мутация - изменчивость отдельных организмов, связанная с изменением генотипа. Поэтому мутации наследственны и не имеют приспособленных свойств.
Естественный отбор в природе идет непрерывно в течение веков. Новые признаки появляются только у организмов, приспособленных к условиям природы. Между организмом и средой формируется взаимосвязь (единство). Ч. Дарвин определил естественный отбор как сохранение и размножение особей, наиболее приспособленных и гибель наименее приспособленных.
Рассмотрим примеры борьбы организмов с неблагоприятными условиями среды. Как известно, погода в высокогорье холодная, летом со знойными ветрами, а рельеф неровный, горно-холмистый. Непрерывный ветер иссушает почву, уменьшает влагу. Растения горных мест низкие, приземистые. Из-за постоянных ветров все виды растений (дерево, кустарник, трава) низкорослые. Густо переплетенные ветки кустарников стелются по земле. Животные прижимаются к камням. Певчие птицы поют сидя на земле. Бабочки также летают низко. Темные, неяркие крылья их хорошо поглощают тепло. Пауки не ткут паутины, а прячутся под камнями, в расщелинах почвы, живут в старых норах. Организмы приспособлены по-разному также и к открытой местности степи.
Например, несмотря на то, что корни растений хорошо развиты, их листовые пластинки тонкие. Корневая система ковыля - растения, типичного для степных зон, глубоко уходит в почву, а надземные органы образуют куст. Между стеблями этого куста зимой накапливается снег, что сохраняет влагу, а весной обеспечивает растение влагой. С наступлением жары тонкие листовые пластинки растений могут свертываться устьичной стороной внутрь, и испарение уменьшается.
Все органы растений засушливых мест покрыты мягкими, мелкими, войлочными волосками, поэтому они имеют светло-серый цвет. Защитой от испарения и солнечных лучей служат мягкое опушение листьев волосками, восковой налет. В жарких условиях растения с крупными зелеными листьями и нежной корневой системой в результате естественного отбора не выживают.
Растения сухих местообитаний для сохранения жизни способны накапливать большое количество воды в своих тканях. Например, комнатное растение кактус (родина - Южная Америка) имеет сочный стебель, так как в нем накапливается влага. В составе некоторых кактусов содержится до 96% воды. Кактусы высотой 20 м в стебле содержат до 3 тыс. л воды. Листья у них видоизменены в колючки, а устьица расположены в стебле. При этом листья выполняют защитную функцию, а стебель - ассимиляционную. При недостатке влаги тюльпаны весной очень рано цветут и за короткое время у них созревают плоды и семена. После засыхания надземных органов влага и питательные вещества накапливаются в луковицах, которые затем весной опять используются для развития проростков. Очиток, родиола, алоэ накапливают запас воды в листьях. Корневая система саксаула проникает очень глубоко, до грунтовой воды. При недостатке влаги саксаул сбрасывает молодые побеги, тем самым способствует уменьшению испарения. Во время сильной жары у эвкалипта, караганы листья поворачиваются ребром к свету. Плоды яблони, сливы, винограда, листья капусты, очитка, фикуса покрываются водонепроницаемым восковым налетом. Пробковый слой, расположенный под корой деревьев (дуб, береза и др.), защищает от увлажнения и перепада температуры. Виды борьбы за существование представлены на рис. 20.
Рис. 20. Борьба за существование и ее формы: 1 - цапли (внутривидовая борьба); 2 - наездник, откладывающий яйцо в гусеницу (межвидовая борьба); 3 - юкка древовидная, растет в жарких пустынях Мексики, где выпадает не более 125 мм осадков в год (борьба с неблагоприятными условиями жизни)
Прочитайте вопросы и ответьте, к какому виду отбора они относятся; ответы занесите заглавной буквой: "Е" - естественный отбор, "И" - искусственный отбор.
Среди животных также выживают наиболее приспособленные к условиям среды. Суслики, черепахи летом впадают в спячку. Летняя спячка наблюдается у них при слишком высоких температурах и снижении влажности воздуха. Так, некоторые виды черепах запасают в мочевом пузыре воду, которая при необходимости переходит в кровь. Запас жира животные откладывают в горбу (верблюд), хвосте (виды тушканчиков), при окислении которого образуется метаболическая вода. Недостаток влаги относится к физическому фактору. Отбор регулирует приспособленность организмов, обеспечивает сохранение более выносливых особей и исчезновение слабых.
В переувлажненных местах отбор идет в ином направлении. В бассейне реки Амазонки в тропических лесах периодически бывают наводнения. Во время наводнения живущие там млекопитающие забираются на верхушку дерева, сохраняя тем самым себе жизнь. Приспособление к окружающей среде у них появляется не сразу. В результате естественного отбора постепенно из поколения в поколение передаются личные признаки организма.
Модификационная (ненаследственная) изменчивость. Мутационная (наследственная) изменчивость.
- Назовите неблагоприятные условия природы.
- Приведите примеры растений и животных, приспособленных к условиям высокогорья.
- Как приспособлены растения к равнинной местности?
- Объясните способы защиты пустынных растений от неблагоприятных условий среды.
- Назовите животных, впадающих в летнюю спячку, объясните причины.
- Сравните естественный и искусственный отбор.
- В процессе отбора выносливость организма усиливается.
- Новые признаки вредны для организма.
- Берет начало с развития растениеводства и животноводства.
- В результате образуется новый вид.
- В результате получают породы и сорта.
- Процесс медленный, незаметный.
- Изменение нужных признаков планируется.
- Процесс непрерывно идет с возникновения жизни на Земле.
- Новые, появившиеся признаки полезны для организма.
Ответьте на следующие вопросы для закрепления результатов лабораторной работы:
Почему всходы неодинаковые, не все проросли?
- Как приспособлен кактус к неблагоприятным условиям внешней среды?
В чем причина?
- Каковы особенности алоэ, чем он отличается от кактуса?
- По каким признакам и изменениям растений сухих местообитаний (жузгун, саксаул, шингил) можно определить их вид борьбы с неблагоприятными
условиями среды?
4.1. Получить допуск к работе. Для этого ответить на вопросы:
4.1.1. Размножение – важнейшее жизненное свойство. Объясните, каким образом оно проявляется на клеточном уровне.
4.1.2. Дайте определения понятий оплодотворение, гаметогенез, мейоз, онтогенез.
4.1.3. Есть ли принципиальные различия между бесполым и половым размножением.
4.1.4. Сравните между собой митоз и мейоз, выделите черты сходства и различия.
4.1.5. В чем заключается биологическое значение мейоза?
4.2. Выполнить задания.
4.2.1. Пользуясь рис.1.,выявите черты сходства и различия между зародышами позвоночных.
Рис.1.Сравнение зародышей позвоночных Рис.2.
на разных стадиях развития:1-рыба,
2-ящерица,3-кролик,4-человек.
4.2.2.Как формулируется биогенетический закон? Поясните его примерами.
4.2.3. Объясните, что такое развитие и чем оно отличается от роста .
4.2.4. Заполните таблицу, поставив знак "+" или "–" в соответствующую ячейку. Укажите тип развития, характерный для каждого организма.
4.2.5. Подпишите элементы строения половых клеток млекопитающих, обозначенные цифрами.
4.2.6. В чем сущность двойного оплодотворения цветковых растений? Рассмотрите рисунок и подпишите элементы, обозначенные цифрами. 
4.2.7. Чем отличается дробление от обычного деления клетки?
4.2.8. Что такое гаструла и как она образуется в процессе развития зародыша?
4.2.9.Каким образом и где происходит имплантация зародыша?
4.2.10. Какие ткани и органы формируются из зародышевых листков?
4.3. Оформить отчет о проделанной работе.
5.1. Наименование и цель работы.
5.2. Выполненные задания.
5.3. Ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы.
6.1. Какой процесс поддерживает существование органического мира на Земле?
Подробное решение параграф § 19 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б., Захарова Е.Т. 2014
Вспомните!
Какие два основных типа размножения существуют в природе?
Что такое вегетативное размножение?
Способ бесполого размножения, при котором дочерний организм развивается из группы родительских клеток, называют вегетативным размножением. Широко распространено такое размножение у растений. В естественных природных условиях оно, как правило, происходит с помощью специализированных частей тела растения. Луковица тюльпана, клубнелуковица гладиолуса, растущий горизонтально подземный стебель (корневище) ириса, ползучий, стелющийся по поверхности почвы стебель ежевики, усы земляники, клубни картофеля и корневые клубни георгина - всё это органы вегетативного размножения растений. Вегетативное размножение у животных осуществляется двумя основными способами: фрагментацией и почкованием. Фрагментация - это разделение тела на две и более частей, каждая из которых даёт начало новой полноценной особи. Этот процесс основан на способности к регенерации. Таким способом могут размножаться кольчатые и плоские черви, иглокожие и кишечнополостные. Почкование - это образование на теле материнской особи группы клеток - почки, из которой развивается новая особь. В течение некоторого времени дочерняя особь развивается как часть материнского организма, а затем или отделяется от него и переходит к самостоятельному существованию (пресноводный полип гидра), или, продолжая расти, образует собственные почки, формируя колонию (коралловые полипы). Встречается почкование и у одноклеточных организмов - дрожжевых грибов (рис. 61) и некоторых инфузорий.
Какой набор хромосом называют гаплоидным; диплоидным?
Диплоидный набор – это полный хромосомный набор соматической клетки, называется еще двойным, обозначается 2n. Например, диплоидный набор человека 46 хромосом (это всегда четное число). Гаплоидный набор – это половинный набор хромосом, одинарный (нечетное число), такой набор содержится в половых клетках (гаметах) обозначается n. Например, гаплоидный набор хромосом человека n=23.
Вопросы для повторения и задания
1. Докажите, что размножение - одно из важнейших свойств живой природы.
Способность к размножению является одним из основных свойств живой материи. Размножение, т. е. воспроизведение себе подобных, обеспечивает непрерывность и преемственность жизни. В процессе размножения происходит точное воспроизведение и передача генетической информации от родительского поколения следующему, дочернему, что обеспечивает существование вида на протяжении длительного времени, несмотря на гибель отдельных особей. В основе размножения лежит способность клетки к делению, а передача генетической информации обеспечивает материальную преемственность поколений любого вида. Для того чтобы особь смогла воспроизводить себе подобных, т. е. стать способной к размножению, она должна вырасти и достичь определённой стадии развития. Не все организмы доживают до репродуктивного периода и не все оставляют потомство, поэтому, чтобы поддержать существование вида, каждое поколение должно производить потомков больше, чем было родителей. Свойства живых организмов - рост, развитие и размножение - неразрывно связаны друг с другом.
2. Какие основные типы размножения вам известны?
Все разнообразные формы размножения можно объединить в два основных типа - бесполое и половое.
3. Что такое бесполое размножение? Какой процесс лежит в его основе?
Этот тип размножения происходит без образования специализированных половых клеток (гамет), и для его осуществления необходим только один организм. Новая особь развивается из одной или нескольких соматических (неполовых) клеток материнского организма и является его абсолютной копией. Генетически однородное потомство, происходящее от одной родительской особи, называют клоном. Бесполое размножение является наиболее древней формой размножения, поэтому особенно широко оно распространено у одноклеточных организмов, но встречается и среди многоклеточных. Существует несколько способов бесполого размножения.
4. Перечислите способы бесполого размножения; приведите примеры.
Деление – прокариотические организмы (бактерии и синезелёные водоросли) размножаются путём простого деления, которому предшествует удвоение единственной кольцевой молекулы ДНК.
Спорообразование. Этот способ размножения характерен в основном для грибов и растений. Специализированные клетки - споры - могут образовываться в специальных органах - спорангиях.
Вегетативное размножение – в естественных природных условиях оно, как правило, происходит с помощью специализированных частей тела растения. Луковица тюльпана, клубнелуковица гладиолуса, растущий горизонтально подземный стебель (корневище) ириса, ползучий, стелющийся по поверхности почвы стебель ежевики, усы земляники, клубни картофеля и корневые клубни георгина - всё это органы вегетативного размножения растений. Вегетативное размножение у животных осуществляется двумя основными способами: фрагментацией и почкованием.
Фрагментация - это разделение тела на две и более частей, каждая из которых даёт начало новой полноценной особи. Этот процесс основан на способности к регенерации. Таким способом могут размножаться кольчатые и плоские черви, иглокожие и кишечнополостные.
Почкование - это образование на теле материнской особи группы клеток - почки, из которой развивается новая особь. В течение некоторого времени дочерняя особь развивается как часть материнского организма, а затем или отделяется от него и переходит к самостоятельному существованию (пресноводный полип гидра), или, продолжая расти, образует собственные почки, формируя колонию (коралловые полипы).
5. Возможно ли появление генетически разнородного потомства при бесполом размножении? Аргументируйте свой ответ.
Да. Искусственное вегетативное размножение растений. При искусственном вегетативном размножении растений человек использует все виды вегетативного размножения, встречающиеся в природе. Однако существуют и дополнительные специальные методы. Листовые черенки. Сравнительно немногие растения (узамбарская фиалка, бегония, глоксиния) могут восстанавливаться из отрезанных листьев. Деление куста. Разделение растения с побегами и корнями в продольном направлении на несколько частей, которые затем рассаживают (пионы, флоксы). Отводки. Нижние ветки растения (смородины, крыжовника) пригибают к земле, фиксируют и присыпают землёй. Когда на ветке образуются придаточные корни, её отрезают от материнского куста и пересаживают. Прививка. Метод основан на пересадке частей одного или нескольких растений на другое растение, имеющее корневую систему. Растение, имеющее корневую систему, называют подвоем, второе, которое сращивают с подвоем, - привоем. Существуют разные способы прививки. Окулировка - это прививка почкой, или глазком. На небольшом расстоянии от почвы на стволе подвоя делают T-образный разрез, отодвигают кору и под неё вставляют привой - срезанный глазок вместе с плоским кусочком древесины. Затем на место операции накладывают плотную повязку. Через 10-15 дней фрагменты срастаются. Копулировка - это прививка черенками. При одинаковой толщине подвоя и привоя на них делают косые срезы, прикладывают друг к другу поверхностями срезов и накладывают повязку. Если подвой большего диаметра, черенок прививают в расщеп или под кору. Аблактировку, или метод сближения, можно использовать, если соединяемые растения растут рядом. На обоих растениях делают одинаковые по длине срезы коры, срезанные поверхности сближают, прикладывают друг к другу и туго забинтовывают вместе. В таком состоянии растения находятся всё лето и зиму.
6. Чем половое размножение отличается от бесполого? Сформулируйте определение полового размножения.
Бесполое размножение происходит без образования специализированных половых клеток (гамет), и для его осуществления необходим только один организм. Новая особь развивается из одной или нескольких соматических (неполовых) клеток материнского организма и является его абсолютной копией. Генетически однородное потомство, происходящее от одной родительской особи, называют клоном. Половое размножение - это процесс образования дочернего организма при участии половых клеток - гамет.
7. Подумайте, какое значение для эволюции жизни на Земле имело появление полового размножения.
Возникшая в процессе эволюции раздельнополость имела явные преимущества. Появилась возможность объединять генетическую информацию разных особей, формируя новые сочетания и увеличивая генетическое разнообразие вида, что способствовало его приспособлению в изменяющихся условиях обитания.
Подумайте! Вспомните!
1. Почему при вегетативном размножении не наблюдается расщепление признаков в потомстве?
Простая наследственность наблюдается при вегетативном размножении, т. е. когда новая особь формируется из вегетативной части уже существующего индивидуум, споры. Она широко распространена у растений, бактерий, простейших, губок, кишечнополостных и некоторых других животных, склонных к бесполому размножению. Простая наследственность проявляется при размножении, как специализированными клетками (споры), так и своеобразными органами вегетативного размножения (клубни, луковицы, выводковые почки и т. д.). Категория сложной наследственности распространяется на все случаи, когда развитие начинается от яйцеклетки, включая сюда и партеногенез. При вегетативном размножении потомству передаются свойства одной особи, в то время как при половом процессе зигота, из которой разовьется новый индивидуум, несет в себе наследственную информацию от двух организмов. Совершенно очевидно, что в последнем случае закономерности наследования родительских свойств оказываются более сложными и более разнообразными.
2. Объясните, в чём отличие естественного вегетативного размножения от искусственного.
Особенно часто встречаются различные формы вегетативного размножения среди растений, обитающих в суровых климатических условиях - в полярных, высокогорных и степных районах. Неожиданные заморозки в летний день способны погубить цветки или незрелые плоды тундровых растений. Вегетативное размножение позволяет им не зависеть от подобных неожиданностей. Некоторые камнеломки и горец живородящий способны образовывать выводковые почки, которые распространяются подобно семенам, мятлики образуют в соцветиях на месте цветков маленькие дочерние растеньица, способные опадать и укореняться, а сердечник луговой размножается исключительно видоизменёнными дольками перисторассечённых листьев. При искусственном вегетативном размножении растений человек использует все виды вегетативного размножения, встречающиеся в природе. Однако существуют и дополнительные специальные методы: листовые черенки, деление куста, отводки, прививка.
3. Какой тип размножения обеспечивает лучшую приспособляемость к изменениям окружающей среды? Докажите свою точку зрения.
Половое размножение. Возникшая в процессе эволюции раздельнополость имела явные преимущества. Появилась возможность объединять генетическую информацию разных особей, формируя новые сочетания и увеличивая генетическое разнообразие вида, что способствовало его приспособлению в изменяющихся условиях обитания.
4. Согласны ли вы с утверждением, что перекрёстное оплодотворение при гермафродитизме биологически более выгодно? Докажите свою точку зрения.
У разных особей разная генетическая информация, чем у одной особи, хоть и с разными половыми гаметами.
5. Может ли вегетативное размножение у растений осуществляться при помощи неспециализированных частей тела? Если да, то приведите примеры.
Вегетативные органы растений участвуют в бесполом размножении, которое заключается в образовании молодого организма из какой-либо части родительского. Этот способ размножения повсеместно распространен в дикой природе и активно применяется в растениеводстве. При этом используются как специализированные органы (корневища, луковицы, клубни, столоны), так и неспециализированные (стебли, листья).
Например. Листовые черенки. Сравнительно немногие растения (узамбарская фиалка, бегония, глоксиния) могут восстанавливаться из отрезанных листьев.
6. Докажите, что деление бактерий не является митозом.
Деление бактерий – это способ деления клетки пополам, а митоз – это тип непрямого деления ядра, а затем и цитоплазмы. Митоз – это деление ядра, которое приводит к образованию двух дочерних ядер, в каждом из которых имеется точно такой же набор хромосом, что и в родительском ядре. Деление бактерий – это бинарное деление, непосредственно самому процессу разделения клетки пополам предшествует период роста цитоплазмы и репликации (удвоения) кольцевой хромосомы бактерии.
При удвоении ДНК нуклеоида (аналог ядра в бактериальной клетке) реализуется следующая схема:
– инициация – начало деления ДНК под действием репликона (ферментативного аппарата, участка ДНК, содержащего информацию о дублировании);
– элонгация – удлинение, рост хромосомной цепи;
– терминация – завершение роста цепи и спирализация ДНК при репликации.
Параллельно с репликацией ДНК происходит рост самой клетки, и расстояние между прикрепленными посредством мезосом к цитоплазматической мембране двумя новыми хромосомами постепенно увеличивается. Прокариотическая клетка начинает делиться спустя некоторое время после репликации. Очевидно, именно дублирование ДНК запускает процесс разделения.
Подумайте!
1.Почему при вегетативном размножении не наблюдается расщепление признаков в потомстве гибридов?
3.Как вы считаете, какая форма размножения обеспечивает лучшую приспособляемость к изменениям окружающей среды?
Для осуществления полового размножения необходимы специализированные клетки - гаметы, содержащие одинарный (гаплоидный) набор хромосом. При их слиянии (оплодотворении) происходит образование диплоидного набора, в котором каждая хромосома имеет пару - гомологичную хромосому. В каждой паре гомологичных хромосом одна хромосома получена от отца, а вторая - от матери.
Процесс образования половых клеток - гаметогенез - протекает в специальных органах - половых железах. У большинства животных мужские половые клетки (сперматозоиды) образуются в семенниках, женские гаметы (яйцеклетки) - в яичниках. Развитие яйцеклеток называют овогенезом , а сперматозоидов - сперматогенезом.
■ Строение половых клеток . Яйцеклетки - это относительно крупные неподвижные клетки округлой формы. У некоторых рыб, пресмыкающихся и птиц они содержат большой запас питательных веществ в виде желтка и имеют размеры от 10 мм до 15 см. Яйцеклетки млекопитающих, в том числе и человека, гораздо мельче (0,1-0,3 мм) и желтка практически не содержат.
Сперматозоиды - мелкие подвижные клетки, у человека их длина всего около 60 мкм. У разных организмов они отличаются формой и размерами, но, как правило, все сперматозоиды имеют головку, шейку и хвост, обеспечивающий их подвижность. В головке сперматозоида находится ядро, содержащее хромосомы. В шейке сосредоточены митохондрии, которые обеспечивают движущийся сперматозоид энергией.
Сперматозоиды впервые были описаны голландским естествоиспытателем А. Левенгуком в 1677 г. Он же и ввел этот термин - сперматозоид (от греч, sperma - семя и zoon - живое существо), т. е. живое семя. Яйцеклетка млекопитающих была открыта в 1827 г. российским ученым К. М. Бэром.
■ Образование половых клеток . Развитие половых клеток подразделяют на несколько стадий: размножение, рост, созревание, а в процессе сперматогенеза выделяют еще и стадию формирования.
Стадия размножения . На этой стадии клетки, формирующие стенки половых желез, активно делятся митозом, образуя незрелые половые клетки. Эта стадия у мужчин начинается с наступлением половой зрелости и продолжается почти всю жизнь. У женщин образование первичных половых клеток завершается еще в эмбриональном периоде, т. е. общее количество яйцеклеток, которые у женщины будут созревать в течение ее репродуктивного периода, определяется уже на ранней стадии развития женского организма. На стадии размножения первичные половые клетки, как и все остальные клетки тела, диплоидны.
Стадия роста. На стадии роста, которая гораздо лучше выражена в овогенезе, происходит увеличение цитоплазмы клеток, накопление необходимых веществ и редупликация ДНК (удвоение хромосом).
Стадия созревания . Третья стадия - это мейоз. Мейоз - это особый способ деленияклеток, приводящий к уменьшению числа хромосом вдвое и к переходу клетки из диплоидного состояния в гаплоидное.
Будущие гаметы на стадии созревания делятся дважды. Клетки, приступающие к мейозу, содержат диплоидный набор уже удвоенных хромосом. В процессе двух мейотических делений из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидные.
Мейоз состоит из двух последовательных делений, которым предшествует однократное удвоение ДНК, осуществленное на стадии роста. В каждом делении мейоза выделяют четыре фазы, характерные и для митоза (профазу, метафазу, анафазу, телофазу), однако они отличаются некоторыми особенностями.
Профаза первого мейотического деления (профаза I) значительно длиннее, чем профаза митоза. В это время удвоенные хромосомы, каждая из которых состоит уже из двух сестринских хроматид, спирализуются и приобретают компактные размеры. Затем гомологичные хромосомы располагаются параллельно друг другу, образуя так называемые биваленты, или тетрады, состоящие из двух хромосом (четырех хроматид). Между гомологичными хромосомами может произойти обмен соответствующими гомологичными участками, что приведет к перекомбинации наследственной информации и образованию новых сочетаний отцовских и материнских генов в хромосомах будущих гамет. К концу профазы I ядерная оболочка разрушается.
В метафазе I гомологичные хромосомы попарно в виде бивалентов, или тетрад, располагаются в экваториальной плоскости клетки, и к их центромерам присоединяются нити веретена деления.
В анафазе I гомологичные хромосомы из бивалента (тетрады) расходятся к полюсам. Следовательно, в каждую из двух образующихся клеток попадает только одна из каждой пары гомологичных хромосом - число хромосом уменьшается в два раза, хромосомный набор становится гаплоидным. Однако каждая хромосома при этом все еще состоит из двух сестринских хроматид.
В телофазе I образуются клетки, имеющие гаплоидный набор хромосом и удвоенное количество ДНК.
Спустя короткий промежуток времени клетки приступают ко второму мейотическому делению, которое протекает как типичный митоз, но отличается тем, что участвующие в нем клетки гаплоидны.
В профазе II разрушается ядерная оболочка. В метафазе хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, нити веретена деления соединяются с центромерами хромосом. В анафазе II центромеры, соединяющие сестринские хроматиды, делятся, хроматиды становятся самостоятельными дочерними хромосомами и расходятся к разным полюсам клетки. Телофаза II завершает второе деление мейоза.
В результате мейоза из одной исходной диплоидной клетки, содержащей удвоенные молекулы ДНК, образуются четыре гаплоидные клетки, каждая хромосома которых состоит из одиночной молекулы ДНК.
При сперматогенезе на стадии созревания в результате мейоза образуются четыре одинаковые клетки - предшественники сперматозоидов, которые на стадии формирования приобретают характерный вид зрелого сперматозоида и становятся подвижными.
Образование сперматозоидов у мужчин начинается с момента полового созревания. Длительность всех четырех фаз сперматогенеза составляет около 80 дней. За всю жизнь в организме мужчины образуется огромное количество сперматозоидов - до 10 10 .
Мейотические деления в овогенезе характеризуются рядом особенностей. Профаза I завершается еще в эмбриональном периоде, т. е. к моменту рождения девочки в ее организме уже имеется полный набор будущих яйцеклеток. Остальные события мейоза продолжаются только после полового созревания женщины. Каждый месяц в одном из яичников у женщины продолжает развитие одна из остановившихся в своем делении клеток.
В результате первого деления мейоза образуются крупная клетка - предшественник яйцеклетки и маленькое, так называемое полярное тельце, которые вступают во второе деление мейоза. На стадии метафазы II предшественница яйцеклетки овулирует, т. е. выходит из яичника в брюшную полость, откуда попадает в яйцевод. Если происходит оплодотворение, второе мейотическое деление завершается - образуется зрелая яйцеклетка и второе полярное тельце. Если слияния со сперматозоидом не происходит, не закончившая деление клетка погибает и выводится из организма.
Полярные тельца служат для удаления избытка генетического материала и перераспределения питательных веществ в пользу яйцеклетки. Спустя некоторое время после деления они погибают.
Несмотря на то, что в женском эмбрионе закладывается очень много яйцеклеток, созревают из них лишь немногие. За репродуктивный период, т. е. когда женщина способна к деторождению, окончательно формируются около 400 яйцеклеток.
■ Значение гаметогенеза . В течение гаметогенеза образуются половые клетки, содержащие гаплоидный набор хромосом, что позволяет при оплодотворении восстанавливать количество хромосом, характерное для вида. В отсутствие мейоза слияние гамет приводило бы к удвоению числа хромосом у каждого последующего поколения, возникающего в результате полового размножения. Этого не происходит, благодаря существованию особого процесса - мейоза, во время которого диплоидное количество хромосом (2л) сокращается до гаплоидного (1л), т. е. биологическая роль мейоза заключается в поддержании постоянства числа хромосом в ряду поколений вида.
Учебник соответствует базовому уровню Федерального компонента государственного стандарта общего образования по биологии и рекомендован Министерством образования и науки РФ.
Учебник адресован учащимся 10-11 классов и завершает линию Н. И. Сонина. Однако особенности изложения материала позволяют использовать его на завершающем этапе изучения биологии после учебников всех существующих линий.
Какое значение для промышленности и сельского хозяйства имеет селекция микроорганизмов?
Биотехнология – это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. Термин «биотехнология» получил широкое распространение с середины 70-х гг. XX в., хотя еще с незапамятных времен человечество использовало микроорганизмы в хлебопечении и виноделии, при производстве пива и в сыроварении. Любое производство, в основе которого лежит биологический процесс, можно рассматривать как биотехнологию. Генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных растений и животных – это различные аспекты биотехнологии.
Биотехнология позволяет не только получать важные для человека продукты, например антибиотики и гормон роста, этиловый спирт и кефир, но и создавать организмы с заранее заданными свойствами гораздо быстрее, чем с помощью традиционных методов селекции. Существуют биотехнологические процессы по очистке сточных вод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоемах, получению топлива. Эти технологии основаны на особенностях жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.
Появляющиеся современные биотехнологии изменяют наше общество, открывают новые возможности, но одновременно создают определенные социальные и этические проблемы.
Генная инженерия. Удобными объектами биотехнологии являются микроорганизмы, имеющие сравнительно просто организованный геном, короткий жизненный цикл и обладающие большим разнообразием физиологических и биохимических свойств.
Одной из причин сахарного диабета является недостаток в организме инсулина – гормона поджелудочной железы. Инъекции инсулина, выделенного из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота, спасают миллионы жизней, однако у некоторых пациентов приводят к развитию аллергических реакций. Оптимальным решением было бы использование человеческого инсулина. Методами генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК кишечной палочки. Бактерия начала активно синтезировать инсулин. В 1982 г. инсулин человека стал первым фармацевтическим препаратом, полученным с помощью методов генной инженерии.
Аналогичным способом в настоящее время получают гормон роста. Человеческий ген, встроенный в геном бактерий, обеспечивает синтез гормона, инъекции которого используются при лечении карликовости и восстанавливают рост больных детей почти до нормального уровня.
Так же, как у бактерий, с помощью методов генной инженерии можно изменять и наследственный материал эукариотических организмов. Такие генетически перестроенные организмы называют трансгенными или генетически модифицированными организмами (ГМО).
В природе существует бактерия, которая выделяет токсин, убивающий многих вредных насекомых. Ген, отвечающий за синтез этого токсина, был выделен из генома бактерии и встроен в геном культурных растений. К настоящему времени уже созданы устойчивые к вредителям сорта кукурузы, риса, картофеля и других сельскохозяйственных растений. Выращивание таких трансгенных растений, которые не требуют использования пестицидов, имеет огромные преимущества, потому что, во-первых, пестициды убивают не только вредных, но и полезных насекомых, а во-вторых, многие пестициды накапливаются в окружающей среде и оказывают мутагенное влияние на живые организмы (рис. 92).
Рис. 92. Страны, выращивающие трансгенные растения. Практически всю площадь посевов трансгенных культур занимают генетически модифицированные сорта четырех растений: сои (62 %), кукурузы (24 %), хлопчатника (9 %) и рапса (4 %). Уже созданы сорта трансгенного картофеля, помидоров, риса, табака, свеклы и других культур
Один из первых успешных экспериментов по созданию генетически модифицированных животных был произведен на мышах, в геном которых был встроен ген гормона роста крыс. В результате трансгенные мыши росли гораздо быстрее и в итоге были в два раза больше обычных мышей. Если этот опыт имел исключительно теоретическое значение, то эксперименты в Канаде имели уже явное практическое применение. Канадские ученые ввели в наследственный материал лосося ген другой рыбы, который активировал ген гормона роста. Это привело к тому, что лосось рос в 10 раз быстрее и набирал вес, в несколько раз превышающий норму.
Клонирование. Создание многочисленных генетических копий одного индивидуума с помощью бесполого размножения называют клонированием. У ряда организмов этот процесс может происходить естественным путем, вспомните вегетативное размножение у растений и фрагментацию у некоторых животных (§ ). Если у морской звезды случайно оторвется кусочек луча, из него образуется новый полноценный организм (рис. 93). У позвоночных животных этот процесс естественным путем не происходит.
Впервые успешный эксперимент по клонированию животных был осуществлен исследователем Гёрдоном в конце 60-х гг. XX в. в Оксфордском университете. Ученый пересадил ядро, взятое из клетки эпителия кишки лягушки-альбиноса, в неоплодотворенную яйцеклетку обычной лягушки, чье ядро перед этим было разрушено. Из такой яйцеклетки ученому удалось вырастить головастика, превратившегося затем в лягушку, которая была точной копией лягушки-альбиноса. Таким образом, впервые было показано, что информации, содержащейся в ядре любой клетки, достаточно для развития полноценного организма.
В дальнейшем исследования, проведенные в Шотландии в 1996 г., привели к успешному клонированию овцы Долли из клетки эпителия молочной железы матери (рис. 94).
Клонирование представляется перспективным методом в животноводстве. Например, при разведении крупного рогатого скота используется следующий прием. На ранней стадии развития, когда клетки эмбриона еще не специализированы, зародыш разделяют на несколько частей. Из каждого фрагмента, помещенного в приемную (суррогатную) мать, может развиться полноценный теленок. Таким способом можно создать множество идентичных копий одного животного, обладающего ценными качествами.
Рис. 93. Регенерация морской звезды из одного луча
Рис. 94. Клонирование овцы Долли
Для специальных целей можно также клонировать отдельные клетки, создавая культуры тканей, которые в подходящих средах способны расти бесконечно долго. Клонированные клетки служат заменой лабораторным животным, так как на них можно изучать воздействие на живые организмы различных химических веществ, например лекарственных препаратов.
При клонировании растений используется уникальная особенность растительных клеток. В начале 60-х гг. XX в. впервые было показано, что клетки растений, даже после достижения зрелости и специализации, в подходящих условиях способны давать начало целому растению (рис. 95). Поэтому современные методы клеточной инженерии позволяют осуществлять селекцию растений на клеточном уровне, т. е. отбирать не взрослые растения, обладающие теми или иными свойствами, а клетки, из которых потом выращивают полноценные растения.
Рис. 95. Этапы клонирования растений (на примере моркови)
Этические аспекты развития биотехнологии. Использование современных биотехнологий ставит перед человечеством много серьезных вопросов. Не может ли ген, встроенный в трансгенные растения томата, при съедании плодов мигрировать и встраиваться в геном, например, бактерий, живущих в кишечнике человека? Не может ли трансгенное культурное растение, устойчивое к гербицидам, болезням, засухе и другим стрессовым факторам, при перекрестном опылении с родственными дикими растениями передать эти же свойства сорнякам? Не получатся ли при этом «суперсорняки», которые очень быстро заселят сельскохозяйственные земли? Не попадут ли случайно мальки гигантского лосося в открытое море, и не нарушит ли это баланс в природной популяции? Способен ли организм трансгенных животных выдержать ту нагрузку, которая возникает в связи с функционированием чужеродных генов? И имеет ли право человек переделывать живые организмы ради собственного блага?
Эти и многие другие вопросы, связанные с созданием генетически модифицированных организмов, широко обсуждаются специалистами и общественностью всего мира. Созданные во всех странах специальные контролирующие органы и комиссии утверждают, что, несмотря на существующие опасения, вредного воздействия ГМО на природу зафиксировано не было.
В 1996 г. Совет Европы принял Конвенцию о правах человека при использовании геномных технологий в медицине. Центральное внимание в документе уделено этике применения таких технологий. Утверждается, что ни одна личность не может быть подвергнута дискриминации на основе информации об особенностях ее генома.
Введение в клетки человека чужеродного генетического материала может иметь отрицательные последствия. Неконтролируемое встраивание чужой ДНК в те или иные участки генома может привести к нарушению работы генов. Риск использования генотерапии при работе с половыми клетками гораздо выше, чем при использовании соматических клеток. При внесении генетических конструкций в половые клетки может возникнуть нежелательное изменение генома будущих поколений. Поэтому в международных документах ЮНЕСКО, Совета Европы, Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) подчеркивается, что всякое изменение генома человека может производиться лишь на соматических клетках.
Но, пожалуй, наиболее серьезные вопросы возникают в связи с теоретически возможным клонированием человека. Исследования в области человеческого клонирования сегодня запрещены во всех странах в первую очередь по этическим соображениям. Становление человека как личности базируется не только на наследственности. Оно определяется семейной, социальной и культурной средой, поэтому при любом клонировании воссоздать личность невозможно, как невозможно воспроизвести все те условия воспитания и обучения, которые сформировали личность его прототипа (донора ядра). Все крупные религиозные конфессии мира осуждают любое вмешательство в процесс воспроизводства человека, настаивая на том, что зачатие и рождение должно происходить естественным путем.
Эксперименты по клонированию животных поставили перед научной общественностью ряд серьезных вопросов, от решения которых зависит дальнейшее развитие этой области науки. Овечка Долли не была единственным клоном, полученным шотландскими учеными. Клонов было несколько десятков, а в живых осталась только Долли. В последние годы совершенствование техники клонирования позволило увеличить процент выживших клонов, но их смертность все еще очень высока. Однако существует проблема еще более серьезная с научной точки зрения. Несмотря на победное рождение Долли, остался неясным ее реальный биологический возраст, связанные с ним проблемы со здоровьем и относительно ранняя смерть. По мнению ученых, использование ядра клетки немолодой шестилетней овцы-донора сказалось на судьбе и здоровье Долли.
Необходимо существенно повысить жизнеспособность клонированных организмов, выяснить, влияет ли использование конкретных методик на продолжительность жизни, здоровье и плодовитость животных. Очень важно свести к минимуму риск дефектного развития реконструированной яйцеклетки.
Активное внедрение биотехнологий в медицину и генетику человека привело к появлению специальной науки – биоэтики. Биоэтика – наука об этичном отношении ко всему живому, в том числе и к человеку. Нормы этики выдвигаются сейчас на первый план. Те нравственные заповеди, которыми человечество пользуется века, к сожалению, не предусматривают новых возможностей, привносимых в жизнь современной наукой. Поэтому людям необходимо обсуждать и принимать новые законы, учитывающие новые реальности жизни.
Вопросы для повторения и задания
1. Что такое биотехнология?
2. Какие проблемы решает генная инженерия? С какими трудностями связаны исследования в этой области?
3. Как вы думаете, почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время первостепенное значение?
4. Приведите примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.
5. Какие организмы называют трансгенными?
6. В чем преимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?
Вопросы для обсуждения
Глава «Организм»
«Организм – единое целое. Многообразие организмов»
1. Как вы считаете, почему до сих пор науке неизвестно точное количество видов организмов, живущих на нашей планете?
2. В клетках каких организмов существуют органоиды специального назначения? Какие функции они выполняют?
3. Подумайте, могут ли у многоклеточных организмов отсутствовать ткани и органы.
«Обмен веществ и превращение энергии»
1. Как связаны между собой фотосинтез и проблема обеспечения продовольствием населения Земли?
2. Объясните, почему потребление избыточного количества пищи приводит к ожирению.
3. Почему энергетический обмен не может существовать без пластического обмена?
5. Приведите примеры использования особенностей метаболизма живых организмов в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях.
«Размножение»
1. Как вы считаете, в чем преимущество двойного оплодотворения у покрытосеменных растений по сравнению с оплодотворением у голосеменных?
2. Почему при вегетативном размножении не наблюдается расщепление признаков в потомстве гибридов?
3. Подумайте, в чем отличие естественного вегетативного размножения от искусственного.
4. Организм развился из неоплодотворенной яйцеклетки. Являются ли его наследственные признаки точной копией признаков материнского организма?
5. Как вы считаете, какая форма размножения обеспечивает лучшую приспособляемость к изменениям окружающей среды?
«Индивидуальное развитие (онтогенез)»
1. Почему из равноценных в начале развития зародышевых клеток образуются разные ткани и органы с различными свойствами?
2. Какое значение в приспособлении к условиям жизни имеет развитие с превращением?
3. Какое значение в эволюции человека имело удлинение дорепродуктивного периода?
4. Для каких организмов понятия «клеточный цикл» и «онтогенез» совпадают?
«Наследственность и изменчивость»
1. В чем заключается преимущество диплоидности по сравнению с гаплоидным состоянием?
2. Составьте и решите задачи на моногибридное и дигибридное скрещивания.
3. Митохондрии содержат ДНК, гены которой кодируют синтез многих белков, необходимых для построения и функционирования этих органоидов. Подумайте, как будут наследоваться эти внеядерные гены.
4. Объясните с позиции генетики , почему среди мужчин гораздо больше дальтоников, чем среди женщин.
5. Как вы считаете, могут ли факторы внешней среды повлиять на развитие организма, несущего летальную мутацию?
6. Какой бы вы предложили поставить эксперимент, чтобы доказать генетическую обусловленность поведенческих реакций?
7. Как вы считаете, в чем заключается опасность близкородственных браков?
8. Подумайте, в чем особенность изучения наследования признаков у человека.
9. Почему хозяйственная деятельность человека увеличивает мутагенное влияние среды?
10. Может ли комбинативная изменчивость проявиться в отсутствие полового процесса?
«Основы селекции. Биотехнология»
1. Что схожего и чем отличаются методы селекции растений и животных?
2. Почему для каждого региона нужны свои сорта растений и животных?
3. Из большого разнообразия видов животных, обитающих на Земле, человек отобрал для одомашнивания сравнительно немного видов. Как вы считаете, чем это объясняется?
4. Гетерозис в последующих поколениях обычно не сохраняется, затухает. Почему это происходит?
5. Как вы считаете, может ли применяться массовый отбор при разведении животных? Докажите свое мнение.
6. Какое значение для селекции растений имеет знание центров происхождения культурных растений?
7. Какие перспективы в развитии народного хозяйства открывает использование трансгенных животных?
8. Может ли современное человечество обойтись без биотехнологии?
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
