Основные вопросы биологии

Роль света в жизни гетеротрофов. Для многих микробов и некоторых животных прямой солнечный свет губителен. Гетеротрофы -- организмы, потребляющие готовые органические вещества и не способные к их синтезу из неорганических. В жизни большинства животных свет играет важную роль. Животные, ориентирующиеся с помощью зрения, приспособлены к определенной освещенности. Поэтому практически все животные имеют выраженный суточный ритм активности и заняты поисками пищи в определенное время суток. Многие насекомые и птицы, как и человек, способны запоминать положение Солнца и использовать его как ориентир, позволяющий находить обратную дорогу. Для многих планктонных животных изменения освещенности служат стимулом, вызывающим вертикальные миграции. Обычно ночью мелкие планктонные животные поднимаются в верхние слои, более теплые и богатые пищей, а днем опускаются на глубину.

Фотопериодизм. В жизни большинства организмов важную роль играет смена сезонов года. Со сменой сезонов меняются многие факторы среды: температура, количество осадков и др. Однако наиболее закономерно изменяется длина светового дня. Для многих организмов изменение длины дня служит сигналом смены сезонов. Реагируя на изменение длины дня, организмы подготавливаются к условиям наступающего сезона. Эти реакции на изменение длины дня называют фотопериодическими реакциями, или фотопериодизмом. От длины дня зависят сроки цветения и другие процессы у растений. У многих пресноводных животных укорочение дней осенью вызывает образование покоящихся яиц и цист, переживающих зиму. Для перелетных птиц сокращение светлого времени суток служит сигналом к началу миграции. У многих млекопитающих от длины дня зависит созревание половых желез и сезонность размножения. Как показали недавние исследования, у многих людей, живущих в умеренном поясе, короткий фотопериод в зимнее время вызывает нервное расстройство -- депрессию. Для лечения этого заболевания человека достаточно каждый день в течение определенного периода времени освещать ярким светом.

БИЛЕТ№18

ВОПРОС 1. Предмет, задачи и методы генетики

Генетика как наука возникла на рубеже Х1Х-ХХ вв. Будучи общебиологической наукой, генетика позволяет осмыслить как единое целое все разнообразие жизненных форм, возникшее в процессе эволюции в дикой природе и созданное человеком в результате селекции. С позиций генетики как единое целое может быть оценено и все разнообразие процессов, функций и признаков организма, потому что она изучает не только хранение, передачу и изменение генетической информации, но и ее реализацию в признаках и свойствах каждого организма в ходе его индивидуального развития.

Основной задачей генетики является изучение следующих проблем:

1. Хранение наследственной информации.

2. Механизм передачи генетической информации от поколения к поколению клеток или организмов.

3. Реализация генетической информации.

4. Изменение генетической информации (изучение типов, причин и механизмов изменчивости).

Кроме того, генетика призвана решать и практические задачи, такие, как:

1. Выбор наиболее эффективных типов скрещивания (отдаленная гибридизация, не родственные или близкородственные скрещивания разных степеней) и способов отбора (индивидуальный, массовый )

2. Управление развитием наследственных признаков.

3. Искусственное получение новых наследственно измененных форм растений и животных.

4. Разработка методов использования генетической инженерии для получения высокоэффективных продуцентов различных биологически активных соединений, а в перспективе и внедрение этих методов в генетику растений, животных и даже человека.

Методы, используемые в генетике, разнообразны, но основной из них -- гибридологический анализ, то есть скрещивание с последующим генетическим анализом потомства. Он используется на молекулярном, клеточном (гибридизация соматических клеток) и организменном уровнях. Кроме того, в зависимости от уровня исследования (молекулярный, клеточный, организменный, популяционный), изучаемого объекта (бактерии, растения, животные, человек) и других факторов используются самые разнообразные методы современной биологии, химии, физики, математики. Однако каковы бы ни были методы, они всегда являются вспомогательными к основному методу -- генетическому анализу.

Важный шаг в познании закономерностей наследственности сделал выдающийся чешский исследователь Грегор Мендель. Он выявил важнейшие законы наследственности и показал, что признаки организмов определяются дискретными (отдельными) наследственными факторами.

Гибридологический метод Гибридологический метод. Основной метод, который Г. Мендель разработал и положил в основу своих опытов, называют гибридологическим. Суть его заключается в скрещивании (гибридизации) организмов, отличающихся друг от друга по одному или нескольким признакам. Поскольку потомков от таких скрещиваний называют гибридами, то и метод получил название гибридологического.

Одна из особенностей метода Менделя состояла в том, что он использовал для экспериментов чистые линии, то есть растения, в потомстве которых при самоопылении не наблюдалось разнообразия по изучаемому признаку. (В каждой из чистых линий сохранялась однородная совокупность генов). Другой важной особенностью гибридологического метода было то, что Г.Мендель наблюдал за наследованием альтернативных (взаимоисключающих, контрастных) признаков. Например, растения низкие и высокие; цветки белые и пурпурные; форма семян гладкая и морщинистая и т.д. Не менее важная особенность метода -- точный количественный учет каждой пары альтернативных признаков в ряду поколений. Математическая обработка опытных данных позволила Г.Менделю установить количественные закономерности в передаче изучаемых признаков. Очень существенно было то, что Г.Мендель в своих опытах шел аналитическим путем: он наблюдал наследование многообразных признаков не сразу в совокупности, а лишь одной пары альтернативных признаков.

Гибридологический метод лежит в основе современной генетики.

Единообразие первого поколения. Правило доминирования. Г.Мендель проводил опыты с горохом -- самоопыляющимся растением. Он выбрал для эксперимента два растения, отличающихся по одному признаку: семена одного сорта гороха были желтые, а другого -- зеленые. Поскольку горох, как правило, размножается самоопылением, в пределах сорта нет изменчивости по окраске семян. Учитывая это свойство, Г.Мендель искусственно опылил это растение, скрестив сорта, отличающиеся цветом семян. Независимо от того, к какому сорту принадлежали материнские растения, гибридные семена первого поколения (Fi) оказались только желтыми. Следовательно, у гибридов проявляется только один признак, признак другого родителя как бы исчезает. Такое преобладание признака одного из родителей Г.Мендель назвал доминированием, а соответствующие признаки доминантными. Признаки, не проявляющиеся у гибридов первого поколения, он назвал рецессивными, В опытах с горохом признак желтой окраски семян доминировал над зеленой окраской. Таким образом, Г.Мендель обнаружил единообразие по окраске у гибридов первого поколения, т.е. все гибридные семена имели одинаковую окраску. В опытах, где скрещивающиеся сорта отличались и по другим признакам, были получены такие же результаты: единообразие первого поколения и доминирование одного признака над другим.

Расщепление признаков у гибридов второго поколения. Из гибридных семян гороха Г.Мендель вырастил растения, которые путем самоопыления произвели семена второго поколения. Среди них оказались не только желтые семена, но и зеленые. Всего он во втором поколении получил 6022 желтых и 2001 зеленое семя, т.е. 3/4 гибридов имели желтую окраску и 1/4 -- зеленую. Следовательно, отношение числа потомков второго поколения с доминантным признаком к числу потомков с рецессивным оказалось близким к 3:1. Такое явление он назвал расщеплением признаков. Г.Менделя не смутило, что реально обнаруженные им соотношения потомков немного отклонялись от отношения 3:1. Далее, изучая статистическую природу закономерностей наследования, мы убедимся в правоте Менделя.

Сходные результаты во втором поколении дали многочисленные опыты по генетическому анализу других пар признаков. Основываясь на полученных результатах, Г.Мендель сформулировал первый закон -- закон расщепления. В потомстве, полученном от скрещивания гибридов первого поколения, наблюдается явление расщепления: четверть особей из гибридов второго поколения имеет рецессивный признак, три четверти -- доминантный.

Анализирующее скрещивание. При полном доминировании среди особей с доминантными признаками невозможно отличать гомозиготы от гетерозигот, а в этом часто возникает необходимость (например, чтобы определить, чистопородна или гибридна данная особь). С этой целью проводят анализирующее скрещивание, при котором исследуемая особь с доминантными признаками скрещивается с рецессивной гомозиготной. Если потомство от такого скрещивания окажется однородным, значит, особь гомозиготная (ее генотип АА). Если же в потомстве будет 50% особей с доминантными признаками, а 50% -- с рецессивными, значит, особь гетерозиготная.

Промежуточный характер наследования. Иногда у гибридов Fi не наблюдается полного доминирования, их признаки носят промежуточный характер (Аа). Такой характер наследования называют промежуточным или неполным доминированием.

Правило чистоты гамет, установленное Менделем, впервые продемонстрировало свойство дискретности гена, не смешиваемости аллелей друг с другом и другими генами. Мендель впервые показал, что наследственные факторы в гаметах гибрида первого поколения остаются точно такими же, как и у родителей. Они не смешиваются, не претерпевают изменений после совместного пребывания в гибридном организме.

ВОПРОС 2. Биогеоценоз-- целостная самовоспроизводящаяся система

Сообщество живых организмов и абиотическая среда влияют друг на друга, обе части биогеоценоза необходимы для поддержания жизни. Абиотические факторы регулируют существование и жизнедеятельность популяций. В то же самое время эти факторы находятся под постоянным влиянием самих живых организмов. Важные для жизни химические элементы (С, Н, О, N, Р) и органические соединения (углеводы, белки, жиры) образуют непрерывный поток между живым и неживым: потребление и выделение углекислого газа, кислорода, воды, образование и разложение растительного и животного опада, образование почвенных органических соединений. Живые организмы черпают из среды жизненные ресурсы (например, кислород из атмосферы в процессе дыхания и углекислый газ в процессе фотосинтеза). Они поставляют в среду продукты жизнедеятельности (например, кислород в процессе фотосинтеза я углекислый газ в процессе разложения органических веществ и дыхания). Солнечная энергия аккумулируется зелеными растениями и передается организмам всех популяций, населяющих биогеоценоз.

Потоки энергии и вещества, связывающие живые организмы друг с другом и средой их обитания, обеспечивают целостность биогеоценозов. Способность организмов к размножению, наличие в среде пищи и энергии, необходимых для роста, развития и размножения, а также воссоздание среды (Питания живыми организмами -- условия самовоспроязводства биогеоценозов (экосистем).

Устойчивость. Сложившиеся в ходе эволюции биогеоценозы находятся в равновесии со средой и проявляют устойчивость. Устойчивость -- это свойство сообщества и экосистемы выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями. Например, если количество осадков понизилось на 50% по сравнению со средним количеством за много лет, а количество органического вещества, созданного продуцентами, упало лишь на 25%, численность травоядных консументов -- только на 10%, то можно сказать: эта экосистема устойчива. Способность организмов переносить неблагоприятные условия и высокий потенциал размножения обеспечивают сохранение популяций в экосистеме, что гарантирует ее устойчивость.

Саморегуляция. Поддержание определенной численности популяций основано на взаимодействии организмов в звеньях хищник -- жертва, паразит -- хозяин на всех уровнях пищевых цепей. Если по каким-либо причинам один из членов пищевых цепей исчезает, то виды, питавшиеся в основном исчезнувшим видом, начинают в большем количестве поедать ту пищу, которая раньше была для них второстепенной. Вследствие подобной замены пищи численность видов-потребителей сохраняется.

Массовое размножение вида в биогеоценозе регулируется прямыми и обратными связями, существующими в пищевых цепях. Нередко благодаря хорошим погодным условиям создается высокий урожай растений, которыми питается определенная популяция травоядных животных. В связи с хорошим питанием численность популяций возрастает. Травоядные сами могут быть пищей для хищников. Чем многочисленнее жертвы, тем более обеспечен едой хищник и тем интенсивнее он размножается. Следовательно, чем больше в нынешнем году жертв, тем больше на следующий год будет хищников. Возрастание количества хищников приводит к снижению численности жертв. Снижение численности жертв ведет к тому, что размножение хищника замедляется, и количество хищника и жертвы возвращается к нормальному -- исходному соотношению. Колебания количества растительной пищи, травоядных животных и хищников, питающихся этими животными, сопряжены друг с другом. Каково значение саморегуляции численности, мы понимаем особенно хорошо, сталкиваясь с явлениями, когда саморегуляция нарушается. Это обычно происходит в тех случаях, когда человек нарушает сложившуюся структуру сообществ. Например, бесконтрольная вырубка леса, загрязнение воды, уничтожение пестицидами микрофлоры почвы и др. Нарушение естественных цепей питания под воздействием антропогенного фактора, неразумное вмешательство в экосистемы может привести к неконтролируемому росту численности особей отдельных популяций и к нарушению природных экологических сообществ.

БИЛЕТ№19

ВОПРОС 1. Моногибридное скрещивание.

Одна из особенностей метода Менделя состояла в том, что он использовал для экспериментов чистые линии, то есть растения, в потомстве которых при самоопылении не наблюдалось разнообразия по изучаемому признаку. (В каждой из чистых линий сохранялась однородная совокупность генов). Другой важной особенностью гибридологического метода было то, что Г.Мендель наблюдал за наследованием альтернативных (взаимоисключающих, контрастных) признаков. Например, растения низкие и высокие; цветки белые и пурпурные; форма семян гладкая и морщинистая и т.д. Не менее важная особенность метода -- точный количественный учет каждой пары альтернативных признаков в ряду поколений. Математическая обработка опытных данных позволила Г.Менделю установить количественные закономерности в передаче изучаемых признаков. Очень существенно было то, что Г.Мендель в своих опытах шел аналитическим путем: он наблюдал наследование многообразных признаков не сразу в совокупности, а лишь одной пары альтернативных признаков.

Гибридологический метод лежит в основе современной генетики.

Единообразие первого поколения. Правило доминирования. Г.Мендель проводил опыты с горохом -- самоопыляющимся растением. Он выбрал для эксперимента два растения, отличающихся по одному признаку: семена одного сорта гороха были желтые, а другого -- зеленые. Поскольку горох, как правило, размножается самоопылением, в пределах сорта нет изменчивости по окраске семян. Учитывая это свойство, Г.Мендель искусственно опылил это растение, скрестив сорта, отличающиеся цветом семян. Независимо от того, к какому сорту принадлежали материнские растения, гибридные семена первого поколения (Fi) оказались только желтыми. Следовательно, у гибридов проявляется только один признак, признак другого родителя как бы исчезает. Такое преобладание признака одного из родителей Г.Мендель назвал доминированием, а соответствующие признаки доминантными. Признаки, не проявляющиеся у гибридов первого поколения, он назвал рецессивными, В опытах с горохом признак желтой окраски семян доминировал над зеленой окраской. Таким образом, Г.Мендель обнаружил единообразие по окраске у гибридов первого поколения, т.е. все гибридные семена имели одинаковую окраску. В опытах, где скрещивающиеся сорта отличались и по другим признакам, были получены такие же результаты: единообразие первого поколения и доминирование одного признака над другим.

Расщепление признаков у гибридов второго поколения. Из гибридных семян гороха Г.Мендель вырастил растения, которые путем самоопыления произвели семена второго поколения. Среди них оказались не только желтые семена, но и зеленые. Всего он во втором поколении получил 6022 желтых и 2001 зеленое семя, т.е. 3/4 гибридов имели желтую окраску и 1/4 -- зеленую. Следовательно, отношение числа потомков второго поколения с доминантным признаком к числу потомков с рецессивным оказалось близким к 3:1. Такое явление он назвал расщеплением признаков. Г.Менделя не смутило, что реально обнаруженные им соотношения потомков немного отклонялись от отношения 3:1. Далее, изучая статистическую природу закономерностей наследования, мы убедимся в правоте Менделя.

Сходные результаты во втором поколении дали многочисленные опыты по генетическому анализу других пар признаков. Основываясь на полученных результатах, Г.Мендель сформулировал первый закон -- закон расщепления. В потомстве, полученном от скрещивания гибридов первого поколения, наблюдается явление расщепления: четверть особей из гибридов второго поколения имеет рецессивный признак, три четверти -- доминантный.

Анализирующее скрещивание. При полном доминировании среди особей с доминантными признаками невозможно отличать гомозиготы от гетерозигот, а в этом часто возникает необходимость (например, чтобы определить, чистопородна или гибридна данная особь). С этой целью проводят анализирующее скрещивание, при котором исследуемая особь с доминантными признаками скрещивается с рецессивной гомозиготной. Если потомство от такого скрещивания окажется однородным, значит, особь гомозиготная (ее генотип АА). Если же в потомстве будет 50% особей с доминантными признаками, а 50% -- с рецессивными, значит, особь гетерозиготная.

Промежуточный характер наследования. Иногда у гибридов Fi не наблюдается полного доминирования, их признаки носят промежуточный характер (Аа). Такой характер наследования называют промежуточным или неполным доминированием.

Правило чистоты гамет, установленное Менделем, впервые продемонстрировало свойство дискретности гена, не смешиваемости аллелей друг с другом и другими генами. Мендель впервые показал, что наследственные факторы в гаметах гибрида первого поколения остаются точно такими же, как и у родителей. Они не смешиваются, не претерпевают изменений после совместного пребывания в гибридном организме.

ВОПРОС 2. Цепи питания

Перенос энергии от ее источника (растений) через ряд организмов называют пищевой цепью. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов. Травоядные животные (потребители первого порядка) поедают растения, первичные хищники (потребители второго порядка) поедают травоядных, вторичные хищники (потребители третьего порядка) поедают хищников помельче. Таким образом создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов, которые на разных этапах смыкаются с сообществом редуцентов.

Пищевые цепи разделяются на два типа. Один тип пищевой цепи начинается с растений и идет к растительноядным животным и далее к хищникам. Это так называемая цепь выедания (пастбищная). Другой тип начинается от растительных и животных остатков, экскрементов животных и идет к мелким животным и микроорганизмам, которые ими питаются. В результате деятельности микроорганизмов образуется полуразложившаяся масса--детрит. Такую цепь называют цепью разложения (детритной).

На суше пищевые цепи первого типа состоят обычно из 3-5 звеньев, например: растения -- овца -- человек -- трехзвенная цепь; растения -- кузнечики -- ящерицы -- ястреб -- четырехзвенная цепь; растения -- кузнечики -- лягушки -- змеи -- орел -- пятизвенная цепь. Через пищевые цепи биогеоценозов суши подавляющее количество прироста растительной биомассы поступает через опад в цепи разложения.

В морях распространены такие типы цепей: фитопланктон -- рыбы -- хищные птицы; фитопланктон -- мелкие ракообразные -- рыбы, питающиеся мелкими рачками и ракообразными -- хищные рыбы -- хищные птицы. В водных сообществах большая часть биомассы, накопленной одноклеточными водорослями, проходит через цепь выедания и значительно меньшая включается в цепь разложения.

Все типы пищевых цепей всегда существуют в сообществе таким образом, что член одной цепи является также членом другой. Соединение цепей образует пищевую сеть экосистемы. Угнетение или разрушение любого звена экосистемы с неизбежностью отразится на экосистеме в целом. Поэтому вмешиваться в жизнь экосистем надо с большой осторожностью и осмотрительностью.

Экологическая пирамида. Пищевые сети каждой экосистемы имеют хорошо выраженную структуру. Она характеризуется количеством и размером организмов на каждом уровне питания. При переходе с одного пищевого уровня на другой численность особей уменьшается, а их размер увеличивается.

Экологическая пирамида имеет вид треугольника с широким основанием, суживающимся кверху.

В целом для наземных биогеоценозов, где продуценты крупные и живут сравнительно долго, характерны относительно устойчивые пирамиды с широким основанием. В водных же экосистемах, где продуценты невелики по размеру и имеют короткие жизненные циклы, пирамида биомасс может быть обращенной, или перевернутой (острием направлена вниз). Так, в озерах и морях масса растений превышает массу потребителей только в период цветения (весной), а в остальное время года может создаться обратное положение.

При передаче энергии с одного трофического уровня на другой происходит ее потеря. С уровня на уровень переходит около 10% энергии. Можно подсчитать, что энергия, которая доходит до пятого уровня (например, до орла в цепи: растения -- кузнечики -- лягушки -- змеи -- орел ), составляет всего 0,01% энергии, поглощенной продуцентами. Таким образом, оказывается, что передача энергии с одного пищевого уровня на другой происходит с очень малым КПД. Это объясняет уменьшение числа и массы организмов на каждом последующем уровне и ограниченность количества звеньев в пищевой цепи.

БИЛЕТ№20

ВОПРОС 1. Дигибридное скрещивание

Установив закономерности наследования одного признака (моногибридное скрещивание), Мендель начал изучать наследование признаков, за которые отвечают две пары аллельных генов. Скрещивание, в котором участвуют две пары. аллелей, называют дигибридным скрещиванием. Мендель проводил дигибридное скрещивание, в котором гомозиготные родители отличались друг от друга по двум признакам: окраске семян (желтая и зеленая) и форме семян (гладкая и морщинистая). Появление особей с желтыми гладкими семенами свидетельствует о доминировании этих признаков и проявлении правила единообразия у гибридов Fi. При образовании гамет у особей Fi возможны четыре комбинации двух пар аллелей. Аллели одного гена всегда попадают в разные гаметы. Расхождение одной пары генов не влияет на расхождение генов другой пары.

Если в мейозе хромосома с геном А отошла к одному полюсу, то к этому же полюсу, т.е. в ту же гамету, может попасть хромосома как с геном В, так и с геном Ь. Следовательно, с одинаковой вероятностью ген А может оказаться в одной гамете и с геном В, и с геном Ь. Оба события равновероятны. Поэтому сколько будет гамет АВ, столько же и гамет АЬ. Такое же рассуждение справедливо и для гена а , т.е. число гамет аВ всегда равно числу гамет аЬ. В результате независимого распределения хромосом в мейозе гибрид образует четыре типа гамет: АВ, АЬ, аВ и аЬ в равных количествах. Это явление было установлено Г. Менделем и названо законом независимого расщепления, или вторым законом Менделя. Он формулируется так: расщепление по каждой паре генов идет независимо от других пар генов»

Решетка Пеннета. Независимое расщепление можно изобразить в виде таблицы. По имени генетика, впервые предложившего эту таблицу, она названа решеткой Пеннета. Поскольку в дигибридном скрещивании при независимом наследовании образуются четыре типа гамет, количество типов зигот, образующихся при случайном слиянии этих гамет, равно 4х4, т.е. 16. Ровно столько клеток в решетке Пеннета. Вследствие доминирования А над а и В над Ь разные генотипы имеют одинаковый фенотип. Поэтому количество фенотипов равно только четырем. Например, в 9 клетках решетки Пеннета из 16 возможных сочетаний расположены комбинации, имеющие одинаковый фенотип -- желтые гладкие семена. Генотипы, определяющие данный фенотип, таковы: 1ААВВ : 2ААВЬ: 2АаВВ: 4АаВЬ,

Число различных генотипов, образующихся при дигибридном скрещивании, равно 9. Число фенотипов в Fa при полном доминировании равно 4. Значит, дигибридное скрещивание есть два независимо идущих моногибридных скрещивания, результаты которых как бы накладываются друг на друга. В отличие от первого закона, который справедлив всегда, второй закон относится только к случаям независимого наследования, когда изучаемые гены расположены в разных парах гомологичных хромосом.

ВОПРОС 2. Биогеоценоз -- целостная самовоспроизводящаяся система

Сообщество живых организмов и абиотическая среда влияют друг на друга, обе части биогеоценоза необходимы для поддержания жизни. Абиотические факторы регулируют существование и жизнедеятельность популяций. В то же самое время эти факторы находятся под постоянным влиянием самих живых организмов. Важные для жизни химические элементы (С, Н, О, N, Р) и органические соединения (углеводы, белки, жиры) образуют непрерывный поток между живым и неживым: потребление и выделение углекислого газа, кислорода, воды, образование и разложение растительного и животного опада, образование почвенных органических соединений. Живые организмы черпают из среды жизненные ресурсы (например, кислород из атмосферы в процессе дыхания и углекислый газ в процессе фотосинтеза). Они поставляют в среду продукты жизнедеятельности (например, кислород в процессе фотосинтеза и углекислый газ в процессе разложения органических веществ и дыхания). Солнечная энергия аккумулируется зелеными растениями и передается организмам всех популяций, населяющих биогеоценоз.

Саморегуляция. Поддержание определенной численности популяций основано на взаимодействии организмов в звеньях хищник -- жертва, паразит -- хозяин на всех уровнях пищевых цепей. Если по каким-либо причинам один из членов пищевых цепей исчезает, то виды, питавшиеся в основном исчезнувшим видом, начинают в большем количестве поедать ту пищу, которая раньше была для них второстепенной. Вследствие подобной замены пищи численность видов-потребителей сохраняется.

Массовое размножение вида в биогеоценозе регулируется прямыми и обратными связями, существующими в пищевых цепях. Нередко благодаря хорошим погодным условиям создается высокий урожай растений, которыми питается определенная популяция травоядных животных. В связи с хорошим питанием численность популяций возрастает. Травоядные сами могут быть пищей для хищников. Чем многочисленнее жертвы, тем более обеспечен едой хищник и тем интенсивнее он размножается. Следовательно, чем больше в нынешнем году жертв, тем больше на следующий год будет хищников. Возрастание количества хищников приводит к снижению численности жертв. Снижение численности жертв ведет к тому, что размножение хищника замедляется, и количество хищника и жертвы возвращается к нормальному -- исходному соотношению. Колебания количества растительной пищи, травоядных животных и хищников, питающихся этими животными, сопряжены друг с другом.

Каково значение саморегуляции численности, мы понимаем особенно хорошо, сталкиваясь с явлениями, когда саморегуляция нарушается. Это обычно происходит в тех случаях, когда человек нарушает сложившуюся структуру сообществ. Например, бесконтрольная вырубка леса, загрязнение воды, уничтожение пестицидами микрофлоры почвы и др. Нарушение естественных цепей питания под воздействием антропогенного фактора, неразумное вмешательство в экосистемы может привести к неконтролируемому росту численности особей отдельных популяций и к нарушению природных экологических сообществ.

Смена биогеоценоза. Биогеоценозы формируются в течение длительной эволюции, в процессе которой происходит приспособление организмов к среде обитания и друг к другу. Каждый живой организм в результате своей жизнедеятельности изменяет среду вокруг себя, изымая из нее часть веществ и выделяя в нее продукты своего метаболизма. Поэтому длительное существование популяции на одном месте изменяет среду ее обитания таким образом, что она становится малопригодной для одних видов и пригодной для других. Вследствие этого на новом месте развивается другой, более приспособленный к новым условиям биоценоз. Поэтому с течением времени происходит развитие биогеоценоза, изменение его видовой структуры и протекающих в нем процессов. Последовательность сообществ, сменяющих друг друга во времени, носит название сукцессий, а их переходные состояния -- последовательных стадий (стадий развития).

Смена экосистем под влиянием биотического (антропогенного) фактора. Мощным фактором изменения экосистем является хозяйственная деятельность человека. Воздействие человека на природные экосистемы началось давно. Оно все время усиливалось вместе с увеличением населения Земли. В последнем столетии в связи с быстрым развитием промышленности, сельского хозяйства, ростом городов влияние человека приобрело решающее значение.

Большие изменения происходят, например, в «зеленых зонах» вокруг городов, которые используются для отдыха горожан. Растительность такой территории постоянно вытаптывается людьми, гуляющими по лесу, собирающими ягоды и грибы. Надземные органы растений травмируются, почва уплотняется, снижается ее способность к удержанию влаги. Все эти факторы отрицательно влияют на лесные травы, у которых корневища располагаются прямо под лесной подстилкой. Очень сильно изменяет луговые, степные экосистемы интенсивный выпас скота. В течение нескольких лет богатые разнотравные высокопродуктивные луга и степи при неумеренном выпасе скота превращаются в бедные пустоши.

Смена биогеоценозов под воздействием антропогенного фактора -- самая быстрая. Она происходит за несколько лет, а часто скачком. К таким скачкообразным сменам относятся вырубка лесов, распашка земель с созданием агроценозов, строительство водохранилищ, когда сухопутные экосистемы превращаются в водные.

Смена экосистем под влиянием абиотических факторов. Климат земного шара неоднократно менялся. При потеплении в экосистемах вследствие естественного отбора начинали преобладать более теплолюбивые виды растений, животных и микроорганизмов, при похолодании -- холодоустойчивые. Периоды с малым количеством осадков характеризовались увеличением численности организмов, устойчивых к недостатку влаги. Периоды с обильными атмосферными осадками приводили к расцвету организмов с повышенными требованиями к содержанию влаги.

При климатогенных сменах экосистем в результате естественного отбора численность одних видов организмов сокращается, сокращается их ареал, они испытывают биологический регресс. Другие виды, оказавшиеся более устойчивыми в борьбе за существование, увеличивают численность, расширяют ареал обитания, т.е. обнаруживают биологический прогресс.

БИЛЕТ № 21

ВОПРОС 1. Сцепленное наследование генов

Большую работу по изучению наследования неаллельных генов, расположенных в паре гомологичных хромосом, выполнили американский ученый Т.Морган и его ученики. Ученые установили, что гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются совместно, или сцеплено. Группы генов, расположенные в одной хромосоме, называют группами сцепления. Сцепленные гены расположены в хромосоме в линейном порядке. Число групп сцепления у генетически хорошо изученных объектов равно числу пар хромосом, то есть гаплоидному числу хромосом. У человека 23 пары хромосом и 23 группы сцепления, у гороха 7 пар хромосом и 7 групп сцепления и т.д.

Сцепленное наследование и явление перекреста. Рассмотрим, какие типы гамет будет производить особь, два гена которой находятся в одной хромосоме АаВЬ. Особь с таким генотипом производит два типа гамет: аЬ и АВ -- в равных количествах, которые повторяют комбинацию генов в хромосоме родителя.

Было установлено, однако, что кроме таких обычных гамет возникают и другие, новые --АЬ и аВ, т.е. с новыми комбинациями генов, отличающимися от родительской гаметы. Было доказано, что причина возникновения новых гамет заключается в перекресте (кроссинговере) гомологичных хромосом. Гомологичные хромосомы в процессе мейоза перекрещиваются и обмениваются участками. В результате этого возникают качественно новые хромосомы. Частота перекреста между двумя сцепленными генами в одних случаях может быть большой, в других -- менее значительной. Это зависит от расстояния между генами в хромосоме. Частота (процент) перекреста между двумя неаллельными генами, расположенными в одной хромосоме, пропорциональна расстоянию между ними. Чем ближе расположены гены в хромосоме, тем теснее сцепление между ними и тем реже они разделяются при перекресте. И наоборот, чем дальше гены отстоят друг от друга, тем слабее сцепление между ними и тем чаще осуществляется перекрест. Следовательно, о расстоянии между генами в хромосоме можно судить по частоте перекреста.

Итак, сцепление генов, локализованных в одной хромосоме, не бывает абсолютным. Перекрест, происходящий между гомологичными хромосомами, постоянно осуществляет рекомбинацию генов. Т.Морган и его сотрудники показали , что, изучив явление сцепления и перекреста, можно построить карты хромосом с нанесенным на них порядком расположения генов. Карты, построенные на этом принципе, созданы для многих генетически хорошо изученных организмов: кукурузы, человека, мыши, дрожжей, гороха, пшеницы, томата, плодовой мушки дрозофилы.

Положение хромосомной теории :

Каждый ген имеет своё строго определённое положение в хромосоме.

Гены расположены в хромосоме линейно в строго определённом порядке.

Причиной появления особей с перекомбенированными признаками является кроссенговер.

Чем дальше гены друг от друга расположены в хромосоме, тем больше вероятность кроссенговера между ними.

ВОПРОС 2. Агроценоз

Биоценозы, которые возникают на землях сельскохозяйственного пользования, называют агроценозами. Они отличаются от природных сообществ, во-первых, пониженным разнообразием входящих в них видов и, во-вторых, пониженной способностью главного члена этих сообществ -- культурных растений -- противостоять конкурентам и вредителям. Культурные виды так сильно изменены селекцией в пользу человека, что без его поддержки не могут выдержать борьбу за существование.

Агроценозы поддерживаются человеком посредством больших затрат энергии (работы мускулов людей и животных, работы сельскохозяйственных машин, высвобождения связанной энергии, затрат на дополнительный полив и т.п.). Природные биоценозы таких дополнительных вложений энергии не получают. На полях обычно выращивают какой-либо один вид растений. С хозяйственной точки зрения идеальный агроценоз должен был бы состоять из этого единственного вида, а идеальная пищевая цепь всего из двух звеньев: растение -- человек или растение -- домашние животные. Но такая система в природе невозможна. Она неустойчива. На полях после вспашки целины быстро формируются довольно разнообразные сообщества из видов, способных выжить в условиях постоянного антропогенного воздействия на поля. Формируются цепи питания из трех-четырех звеньев, возникают конкурентные взаимодействия и другие типы отношений между видами.

Например, в полях на растениях пшеницы обнаруживается в среднем около 300 видов одних только членистоногих. Кроме них здесь обитают грызуны и птицы, богат мир почвенных беспозвоночных животных, разнообразных грибков, бактерий, развивается довольно много видов сорных растений. Таким образом, в агроценозах взаимодействуют сотни и даже тысячи видов, хотя это разнообразие значительно меньше, чем в большинстве природных сообществ.

Агроценозы нельзя считать стабильными, так как они в гораздо большей степени, чем естественные ценозы (лес, луг, пастбища), подвержены эрозии, выщелачиванию, засолению и нашествию вредителей. Без участия человека агроценозы зерновых, овощных культур существуют не более года, ягодных растений -- 3-4. Поэтому увеличение продуктивности агроценозов возможно при постоянной заботе о плодородии земли, обеспечении растений влагой, охране культурных популяций, сортов и пород растений и животных от неблагоприятных воздействий естественной флоры и фауны. Одним из путей повышения продуктивности агроценозов служит мелиорация почв. Мелиорация -- это коренное улучшение почв. В отличие от обычных агротехнических приемов (вспашка, боронование т.д.), которые проводятся ежегодно, мелиорация оказывает длительное, коренное воздействие на землю и представляет собой целую систему организационно-хозяйственных, технических и других мероприятий.

На осушаемых и других землях применяют культурно-техническую мелиорацию: очистку земли от камней, деревьев, кочек и мха и др. Для окультуривания почв проводят химическую мелиорацию -- известкование кислых почв, внесение удобрений. С целью повышения продуктивности агроценоза используются новые технологии выращивания растений, внедряются вновь созданные урожайные сорта.

Отличие от биогеоценоза:

направление отбора - искусственный ( в БГЦ естественный - выживают наиболее приспособленные.)

источник энергии - солнце + удобрения + корма ( в БГЦ солнце.)

круговорот элементов - не осуществляется т. к. часть элементов выносится с удобрениями (в БГЦ полный возврат элементов в почву )

видовое разнообразие - преобладает 1-2 вида (в БГЦ высокое )

саморегуляция устойчивость - нет саморегуляции, существует пока поддерживается человеком (в БГЦ саморегуляция идет, устойчивая )

продуктивность количество биомассы на единицу площади - больше (в БГЦ меньше )

БИЛЕТ № 22

ВОПРОС 1.

Явление сцепленного наследования изучено Т. Морганом, который установил, что материальной основой сцепления является хромосома (хромосомная теория наследственности). Суть сцепленного наследования подробно описана в учебниках, поэтому отметим только, что при анализе такого явления, как нарушение сцепления, происходящего в результате перекреста хромосом, или кроссинговера, необходимо обратить особое внимание на биологический смысл этого феномена. При перекресте хромосом происходит обмен идентичными участками между гомологичными хромосомами, а значит, возникают новые комбинации генов. Этот процесс лежит в основе комбинативной изменчивости что обусловлено различными взаимодействиями генов (как аллельных, так и неаллельных).

Обсуждая вопрос о природе изменчивости живых организмов, построим некоторую общую схему, иллюстрирующую разные формы этого явления:

Изменчивость делится на: ненаследственная ( фенотипическая или модификационная) наследственная (генотипическая) делится на: комбинативную и мутационную

Модификационная изменчивость - это ненаследуемое изменение признаков (фенотипа) особи в определенных пределах под действием внешних факторов. Явление модификационной изменчивости хорошо иллюстрируется опытами французских исследователей: проросток одуванчика разрезали вдоль и высаживали половинки в разных условиях - в теплице и в открытом грунте высокогорного района. К концу сезона выросли совершенно непохожие друг на друга растения. Растение, развивавшееся в теплице, было высоким с большими сочными листьями и крупным цветком, а одуванчик, выросший в горах, был приземистым с прикорневой розеткой мелких листьев и маленьким цветком. Однако семена обоих растений, посаженные в одинаковые условия, дали потомков, не отличавшихся по внешнему виду. Отсюда следует, что в ходе индивидуального развития организм может существенно изменяться под влиянием внешней среды, однако его генотип при этом остается неизменным. Следовательно, подобные фенотипические изменения не наследуются.

Изменения фенотипа под воздействием факторов внешней среды могут происходить в ограниченном диапазоне (широком или узком), который определяется генотипом. Диапазон, в пределах которого признак может варьировать, носит название нормы реакции. Так показатели, использующиеся в животноводстве - удойность коров и жирность их молока, - могут варьировать между особями, но в разных пределах (удойность имеет относительно большой

ВОПРОС 2. Биосфера

Совокупность всех биогеоценозов (экосистем) Земли представляет собой большую экологическую систему -- биосферу. Биогеоценоз является элементарной структурой биосферы. Биосфера состоит из живого и неживого компонентов. Совокупность всех живых организмов нашей планеты образует живое вещество биосферы. Основная масса живых организмов сосредоточена на границе трех геологических оболочек Земли: газообразной (атмосфера), жидкой (гидросфера) и твердой (литосфера). К неживым компонентам относится та часть атмосферы, литосферы и гидросферы, которая связана сложными процессами миграции веществ и энергии с живым веществом биосферы. Границы жизни на планете являются одновременно и границами биосферы. Таким образом, биосфера -- часть геологических оболочек Земли, заселенная живыми организмами.

Термин «биосфера» ввела 1875 г. геолог Э.Зюсс. Однако широкое распространение этот термин получил лишь после того, как на исходе 20-х годов нашего века было развито учение о биосфере как об особой оболочке нашей планеты. Создатель этого учения -- отечественный естествоиспытатель В.И.Вернадский. Он показал, что биосфера отличается от других сфер Земли тем, что в ее пределах проявляется геологическая деятельность всех живых организмов. Живые организмы, преобразуя солнечную энергию, являются мощной силой, влияющей на геологические процессы. Специфическая черта биосферы как особой оболочки Земли -- непрерывно происходящий в ней круговорот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. Так как биосфера получает энергию извне -- от Солнца, она является открытой системой. Начальный этап миграции веществ и энергии в биосфере -- преобразование энергии солнечного излучения автотрофными организмами в процессе фотосинтеза. Поэтому, согласно учению В.И.Вернадского, живые организмы, обитающие на Земле, представляют собой сложную систему преобразования энергии солнечных лучей в энергию геохимических процессов. Живые организмы, регулируя круговорот веществ, служат мощным геологическим фактором, преобразующим поверхность нашей планеты.

Биомасса суши. На суше Земли от полюсов к экватору биомасса постепенно увеличивается. Наибольшее сгущение и многообразие растений имеет место во влажных тропических лесах. Число и разнообразие видов животных зависит от растительной массы и тоже увеличивается к экватору. Цепи питания, переплетаясь, образуют сложную сеть передачи химических элементов и энергии. Между организмами идет жесточайшая борьба за обладание пространством, пищей, светом, кислородом.

Биомасса почвы. Как среда жизни почва имеет ряд специфических особенностей: большую плотность, малую амплитуду колебаний температуры, она непрозрачна, бедна кислородом, содержит воду, в которой растворены минеральные вещества. Обитатели почвы представляют своеобразный биоценотический комплекс. В почве много бактерий (до 500 т/га), разлагающих органическое вещество грибов, в поверхностных слоях живут зеленые и сине-зеленые водоросли, обогащающие почву кислородом в процессе фотосинтеза. Толща почвы пронизана корнями высших растений, богата простейшими -- амебами, инфузориями и др. В почве, кроме того, живут муравьи, клещи, кроты, сурки, суслики и др. животные.Все обитатели почвы производят большую почвообразовательную работу, участвуют в создании плодородия почвы. Многие почвенные организмы принимают участие в общем круговороте веществ.

Биомасса Мирового океана. Гидросфера Земли, или Мировой океан, занимает более 2/3 поверхности планеты. Вода обладает особыми свойствами, важными для жизни организмов. Ее высокая теплоемкость делает относительно равномерной температуру океанов и морей, смягчая крайние изменения температуры зимой и летом. Физические свойства и химический состав вод океана весьма постоянны и создают среду, благоприятную для жизни. На долю растений океана приходится около 1/3 фотосинтеза на всей планете. Взвешенные в воде одноклеточные водоросли и мельчайшие животные образуют планктон. Планктон имеет преимущественное значение в питании животного мира океана.

В океане, кроме планктона и свободноплавающих животных, много организмов, прикрепленных ко дну и ползающих по нему. Обитателей дна называют бентосом.

В Мировом океане живой биомассы в тысячу раз меньше, чем на суше. Во всех частях Мирового океана имеются микроорганизмы, разлагающие органические вещества до минеральных.

Функции живого вещества. Живое вещество выполняет в биосфере следующие биогеохимические функции: газовую -- поглощает и выделяет газы; окислительно-восста-новительную -- окисляет, например, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов; концентрационную -- организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний. В результате выполнения этих функций живое вещество биосферы из минеральной основы создает природные воды и почвы, оно создало в прошлом и поддерживает в равновесном состоянии атмосферу. При участии живого вещества идет процесс выветривания, и горные породы включаются в геохимические процессы.

Газовая и окислительно-восстановительная функции живого вещества тесно связаны с процессами фотосинтеза и дыхания. В результате биосинтеза органических веществ автотрофными организмами было извлечено из древней атмосферы огромное количество углекислого газа. По мере увеличения биомассы зеленых растений изменялся газовый состав атмосферы -- уменьшалось содержание углекислого газа и увеличивалась концентрация кислорода. Весь кислород атмосферы образован в результате процессов жизнедеятельности автотрофных организмов. Живое вещество качественно изменило газовый состав атмосферы --геологической оболочки Земли. В свою очередь, кислород используется организмами для процесса дыхания, в результате чего в атмосферу вновь поступает углекислый газ. Таким образом, живые организмы создали в прошлом и поддерживают миллионы лет атмосферу нашей планеты. Увеличение концентрации кислорода в атмосфере планеты повлияло на скорость и интенсивность окислительно-восстановительных реакций в литосфере.

Многие микроорганизмы непосредственно участвуют в окислении железа, что приводит к образованию осадочных железных руд, или восстанавливают сульфаты, образуя биогенные месторождения серы.

Несмотря на то что в состав живых организмов входят те же химические элементы, соединения которых образуют атмосферу, гидросферу и литосферу, организмы не повторяют полностью химический состав среды. Живое вещество, активно выполняя концентрационную функцию, выбирает из среды обитания те химические элементы и в том количестве, которые ему необходимы. Благодаря осуществлению концентрационной функции живые организмы создали многие осадочные породы, например залежи мела и известняка. Таким образом, живое вещество биосферы, выполняя геохимические функции (газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную), создает и поддерживает компоненты биосферы.

БИЛЕТ №23

ВОПРОС 1. Модификационная изменчивость

Разнообразие фенотипов, возникающих у организмов под влиянием условий среды, называют модификационной изменчивостью. Спектр модификационной изменчивости определяется нормой реакции. Примером модификационной изменчивости может служить изменчивость генетически сходных (идентичных) особей. Многие виды растений, например картофель, обычно размножаются вегетативно, в этом случае все потомки обладают одинаковым генотипом. Многие растения существенно отличаются по высоте, кустистости, количеству и форме клубней и другим показателям. Причина этой очень широкой модификационной изменчивости состоит в разнообразном влиянии среды, которое испытывает каждый саженец картофеля. Модификационные изменения (модификации) не связаны с изменением генов. Однако модификации могут сильно влиять на их работу, а также на активность ферментов. Хорошо известно, что при низких температурах ферменты гораздо менее активны, что не может не влиять на рост растений и микроорганизмов, развитие животных. Следовательно, действие факторов среды очень существенно для протекания многих физиологических и формообразовательных процессов. Однако эти воздействия, как правило, не влияют на свойства генов, которые передаются в следующие поколения без принципиальных изменений .Именно поэтому модификации не наследуются. Это важное обобщение сделал крупный немецкий биолог А.Вейсман.

Модификационная изменчивость встречается у всех организмов, независимо от способа размножения, видовой принадлежности и разнообразия условий окружающей среды.

В некоторых случаях модификации не имеют приспособительного значения, а, напротив, представляют собой аномалии и даже уродства. Такие модификации получили название морозов. Морфозы представляют собой результат резкого отклонения индивидуального развития организма от нормального пути. Например, обработка личинок и куколок дрозофилы высокими температурами приводит к появлению большого количества мух с измененной формой крыльев и туловища.

Статистические закономерности модификацнонной изменчивости. Если мы измерим длину и ширину листьев, взятых с одного дерева, то увидим, что размеры их варьируются в довольно широких пределах. Эта изменчивость -- результат разных условий развития листьев на ветвях дерева; генотип их одинаков. Если некоторое количество листьев расположить в порядке нарастания, или убывания признака то получится ряд изменчивости данного признака, который носит название вариационного ряда, слагающегося из отдельных вариант. Варианта, следовательно, есть единичное выражение развития признака. Если мы подсчитаем число отдельных вариант в вариационном ряду, то увидим, что частота встречаемости их неодинакова. Чаще всего встречаются средние члены вариационного ряда, а к обоим концам ряда частота встречаемости будет снижаться. Чем однообразнее условия развития, тем меньше выражена модификационная изменчивость, тем короче будет вариационный ряд. Чем разнообразнее условия среды, тем шире модификационная изменчивость. Размах вариации зависит и от генотипа.

Норма реакции. Итак, признаки развиваются в результате взаимодействия генотипа и среды. Один и тот же генотип может в разных условиях среды давать разное значение признака. Пределы, в которых возможно изменение признаков у данного генотипа, называют нормой реакции.