close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

10073.Биологические основы жизнедеятельности человека

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ
КАФЕДРА МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ
ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА
Л.Н.Евсеенко
Л.Г.Харитонова
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
Учебное пособие
О м с к - 2002
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Н.Евсеенко, Л.Г.Харитонова. Биологические основы жизнедеятельности человека. Учебное пособие. - Омск: СибГАФК, 2002. 168 с.
Учебное пособие написано в соответствии с Государственным образовательным стандартом РФ и содержит программный материал по дисциплине "Биология с основами экологии".
Представленная в учебном пособии информация изложена на современном научном уровне, лаконична и доступна. Предназначено для сту
дентов, обучающихся на заочном отделении и по индивидуальным графикам.
Рецензенты: канд. биологических наук И.А.Кузнецова
канд. биологических наук Л.Н.Тюрина
Рекомендовано к изданию
редакционно-издательским советом академии
© Сибирская государственная академия физической культуры, 2002.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л е к ц и я 1. ВВЕДЕНИЕ. О С Н О В Н Ы Е З А К О Н О М Е Р Н О С Т И
СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИВОГО
1. Предмет, задачи и методы биологии. Место биологии в системе наук.
2. Понятие живой системы. Сущность жизни. Общие свойства живого.
Уровни организации живого.
3. Место человека в системе природы.
1. Необходимость изучения данного курса обусловлена несколькими
причинами:
1. Развитием биологии как науки (XX век был веком биологии).
2. Биология - база для изучения анатомии, физиологии, гигиены,
спортивной медицины. Кроме того, это еще и самостоятельное значение:
общая биология - наука, позволяющая понять закономерности индивидуального развития, наследственности, взаимоотношения организмов с
окружающей средой. Знание этих закономерностей необходимо для
решения вопросов спортивного отбора, своевременной спортивной
ориентации, а также возможностей прогнозирования успехов в спорте.
В целом изучение биологических закономерностей позволяет решать
проблемы управления состоянием живой природы, ее охраны,
рационального природопользования.
Изучение исторического развития природы позволяет сформировать
с о б с т в е н н о е н а у ч н о е м и р о в о з з р е н и е , исходя из о б ъ е к т и в н ы х
доказательств, исключающих в м е ш а т е л ь с т в о п о т у с т о р о н н и х сил и
умозрительных (недоказуемых) домыслов.
Биология (греч. bios - жизнь, logos - слово, учение) - совокупность
наук о живой природе. Относится к естественным наукам, как и физика,
химия, астрономия.
Предмет изучения биологии - все проявления жизни: строение и
функции всех живых существ и их природных сообществ, их распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой
природой.
З а д а ч и б и о л о г и и - изучение биологических закономерностей,
раскрытие сущности жизни и ее проявлений с целью познания и управления ими.
О с н о в н ы е методы биологии: наблюдение, позволяющее описать
биологические явления; сравнение, дающее возможность найти закономерности, общие для разных явлений (на уровне особей одного вида,
разных видов или всех живых существ); эксперимент, в ходе которого
исследователь искусственно создает ситуации, помогающие выявлять
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
более глубокие свойства биологических объектов; исторический метод,
позволяющий на основе данных о современном органическом мире и
его прошлом познать процессы развития живой природы. В современной
биологии между этими основными методами нельзя провести резкой
границы.
Биология тесно связана со многими науками и с практической деятельностью человека. Для описания и исследования биологических процессов привлекают физику, химию, математику, многие технические науки о земле - геологию, географию, геохимию. Возникают биологические
дисциплины, смежные с другими науками, - биохимия, биофизика, бионика и др.
Каждая наука состоит из двух частей:
М е т о д о л о г и ч е с к о й о с н о в о й с о в р е м е н н о й б и о л о г и и является
диалектический материализм. Даже исследователи, далекие от утверждения материализма в философских концепциях, своими работами по
биологии подтверждают принципиальную познаваемость живой природы, вскрывают объективно существующие закономерности и проверяют правильность познания опытом и практикой, т.е. стихийно стоят
на материалистических позициях.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Огромно значение биологии для формирования последовательного
материального мировоззрения, для доказательства естественно-научного
происхождения всех живых организмов и человека. Важную роль играет
биология в познании человека и его места в природе. По словам К.Маркса, биология и разработанное в ее недрах эволюционное учение дают естественно-историческую основу материалистическим взглядам на развитие общества. Победа эволюционной идеи в XIX веке способствовала
успешной борьбе науки с верой в божественное сотворение живых
существ и человека. Биологи доказывают, что в основе жизненных процессов лежат явления, подчиняющиеся законам физики, химии. Это не
исключает наличие в живой природе особых биологических закономерностей, которые, однако, не имеют ничего общего с представлениями
о существовании непознаваемой "жизненной силы" - "vis vitalis".
Системы б и о л о г и ч е с к и х наук определили м н о г о о б р а з и е форм
жизни, ее проявлений, методов и целей исследования живых объектов и
живого на разных уровнях его организации.
П о объектам и с с л е д о в а н и я биология р а з д е л и л а с ь с л е д у ю щ и м
образом:
БИОЛОГИЯ
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По исследуемым свойствам и проявлениям живого:
- морфология (форма и строение);
- экология (условия жизни, связь со средой);
- физиология (функции);
- генетика (наследственность, изменчивость);
- эмбриология (индивидуальное развитие);
- эволюционное учение (историческое развитие);
- геронтология (проблемы старения и долголетия);
- этология (поведение).
Одновременно происходит взаимопроникновение различных
отраслей биологии с образованием сложных сочетаний: гисто-, цито-,
эмбриофизиология, цитогенетика, эволюционная и экологическая
генетика и др.
В связи с изучением жизни на различных уровнях развития выделяют: молекулярную биологию, цитологию (клетка), гистологию (ткани),
биогеоценологию, популярно-видовую биологию.
В а ж н о е место в б и о л о г и и занимают как т е о р е т и ч е с к и е , так и
практические направления исследований, границы между которыми провести также трудно. Л ю б о е теоретическое направление неизбежно
связано (прямо или косвенно) с выходом в практику.
Из практически важных дисциплин быстро развиваются бионика,
к о с м и ч е с к а я биология, астробиология, или экзобиология (жизнь вне
Земли).
И з у ч е н и е м ч е л о в е к а как продукта и объекта б и о л о г и ч е с к о й
эволюции занимаются ряд биологических дисциплин - антропология,
генетика и экология человека, медицинская генетика, психология - все
они тесно связаны с социальными науками.
Общие и присущие всем живым системам закономерности изучают
наиболее фундаментальные из всех перечисленных биологических наук
- ц и т о л о г и я , г е н е т и к а , б и о л о г и я развития, э в о л ю ц и о н н а я теория,
биохимия, биофизика и физиология.
2. Современное диалектико-материалистическое определение жизни
- это одна из высших форм движения и организации материи.
Тысячелетиями история познания сущности жизни была ареной
б о р ь б ы м е ж д у м а т е р и а л и з м о м и и д е а л и з м о м , н а у к о й и религией.
Трудность научного решения проблемы жизни явилась предпосылкой
того, что религия и идеализм нашли здесь наиболее прочное убежище. В
основе всех учений о божественном характере творения живых существ,
несмотря на многообразие этих учений, лежит одна идея - жизнь по своей
природе нематериальна и является результатом одушевления материи
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
"жизненной силой". Течение жизненных процессов подчиняется
фиксированным законам, не связанным с вмешательством сверхъестественных сил - поэтому изучение этих процессов возможно объективными методами. Однако познание сущности жизни невозможно, т.к. все
явления живого предопределены заранее установленным планом, заложенным в материю богом при самом возникновении жизни.
Материалисты первичной считают материю - ту объективную реальность, которую можно наблюдать и опытным путем изучать. Возникновение же жизни с позиции диалектического материализма рассматривается как закономерный этап в развитии материи.
Ф.Энгельс дал следующее определение жизни: "Жизнь есть форма способ существования белковых тел, и этот способ существования
заключается по своему существу в постоянном обновлении их химических
составных частей путем их питания и выделения" (Ф.Энгельс. АнтиДюринг, 1969) 350 с. Т.е., белковые тела - носители жизни, а обмен
веществ - их основная функция, из которой выводятся все остальные
признаки жизни. Вместе с тем Энгельс понимал, что его определение
сущности жизни далеко от совершенства в силу недостаточного развития
современной ему науки.
Современное определение живой системы связано с нуклеиновыми
кислотами, структура которых была расшифрована в 1953 г. Уотсоном
и Криком (ДНК). Они высказали и доказали предположение о связи ДНК
с синтезом белка. Отсюда и основным субстратом жизни следует считать
не просто белок (Энгельс), а комплекс белков и нуклеиновых кислот. В
науке существует и кремниевая гипотеза субстрата жизни, но не для
Земли.
Далеко не исчерпывающее всех особенностей, но основанное на
современных достижениях биологии, биохимии и биофизики определение живой с и с т е м ы : живой о р г а н и з м - это открытая с а м о р е г у лирующаяся и самовоспроизводящаяся система, далекая от равновесия,
проходящая путь необратимого индивидуального и эволюционного
развития (Волькенштейн, 1980).
Живой организм - это гетерогенная система из больших и малых
молекул, в а ж н е й ш и м и ф у н к ц и о н а л ь н ы м и в е щ е с т в а м и к о т о р о г о
являются биополимеры - молекулы белков и нуклеиновых кислот.
Главным свойством живого является обмен веществ. Из него вытекают другие проявления жизни, а именно:
1. Дискретность (прерывистость) и целостность.
2. Метаболизм (обмен веществ и энергии).
3. Структурная организация живого (упорядоченность во времени
и пространстве всех процессов, происходящих в живой системе).
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Саморегуляция (внутренняя регуляция всех процессов в живом
организме по принципу обратной связи).
5. Гомеостаз (постоянство внутренней среды организма).
6. Репродукция (самовоспроизведение).
7. Наследственность и изменчивость (обеспечение сохранения вида
и преемственность жизни на Земле).
8. Рост (увеличение массы живого тела за счет увеличения числа клеток или их объема).
9. Р а з в и т и е ( к а ч е с т в е н н ы е и з м е н е н и я отдельного о р г а н и з м а
(онтогенез) или историческое развитие живого (филогенез)).
10. Раздражимость (свойство всех живых организмов реагировать
на воздействие ф а к т о р о в внешней среды, у животных и растений
проявляется по-разному).
11. Возбудимость (свойство всех живых организмов отвечать на воздействие факторов внешней среды).
12. Движение (проявляется в живой материи в виде внутренних
химических реакций или внешнего движения целого организма, его частей или клеток по отношению к среде, а также в виде секреции желез,
движение - всегда ответная реакция на раздражение).
Все перечисленные свойства живого как наиболее общие его проявления изучаются общей биологией.
С одним из свойств живого - дискретностью - связано выделение
уровней организации живых систем и их сложное иерархическое соподчинение.
Живая природа - неоднородная, целостная система с иерархической
организацией. Все организмы - живые системы, имеющие сходство в
строении и жизнедеятельности. У них единый генетический код, химический состав, строение молекул, клеток, однотипно строение тела на
одинаковых уровнях организации. Это единство живых организмов дает
возможность построить общую систему уровней от молекулярного до
биосферного. На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарное явление.
Э л е м е н т а р н а я единица - структура, з а к о н о м е р н ы е и з м е н е н и я
которой (элементарные явления) составляют на каждом из уровней
содержание эволюционного процесса.
Для каждого из выделенных уровней характерны свои закономерности и особенности взаимоотношений с выше- и нижележащими
уровнями.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1
Уровни организации живых систем на Земле
№
№
п/п
Тип уровня
1-
Молекулярно-генетический
2
Клеточный
Элементарная
эволюционная
единица
Ген с определенным
объемом
наследственной
информации
Клетка
3.
4.
Тканевый и органный
Организменный
(онтогенетический)
Ткани, органы
Особь от рождения
до смерти
5.
Популяционно-видовой
6.
Биогеоценотический
Популяция как
совокупность особей
одного вида
Биогеоценоз
7.
Биосферный
'
Вся совокупность
организмов и среды
их обитания
Элементарное
эволюционное явление
Редупликация
и самовоспроизведение
Реакции клеточного
метаболизма; обмен
веществ - основа жизни
на других уровнях
Их функции
Закономерности
изменений в процессе
развития (формирование
фенотипа организмов
конкретного вида)
Эволюционно-значимые
изменения генотипа
на основе мутаций
Круговорот веществ
в цепях питания
в пределах биогеоценоза
Все формы
взаимоотношений между
организмами
и организмами и средой
3. Организм человека в ходе исторического развития формировался
как биологическое существо, о т р а ж а я процессы и р е з у л ь т а т ы преобразования на соответствующих уровнях. Все перечисленные выше признаки и свойства живого в равной мере присущи человеку. Все человечество входит в состав биосферы. Взяв начало от животных предков, человек
развивался по биологическим законам. В современной биологии выделилось новое понятие - "биология человека", не столько как научная
дисциплина, сколько как определенная точка зрения на самое интересное
и важное из животных. Биология человека как отрасль общей биологии
изучает его п р о и с х о ж д е н и е , э в о л ю ц и ю и г е о г р а ф и ч е с к о е р а с п р о с т ранение, генетическую систему, сущность и значение врожденных
различий между индивидуумами, экологию и физиологию и т.д.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одна из величайших задач биологии человека - изучение природы
взаимоотношений между людьми.
Человек вышел из мира животных и как существо биологическое
является наиболее удобным объектом изучения многих общебиологических закономерностей. У него нет каких-либо существенных отличий
от других млекопитающих, которые не проявились бы в эволюции приматов. Бинокулярное зрение и перекрест зрительных трактов, увеличение
коры головного мозга, освобождение передних конечностей для манипуляции ими, увеличение периода детства - это не новые качества, свойственные исключительно человеку, это лишь высшее проявление тенденции
развития и у человекообразных обезьян.
Человек как биологическое существо добился решающего успеха
лишь недавно, занимая довольно непрочное положение на Земле в первые
тысячелетия своего существования.
С развитием общества человек ушел из-под власти многих биологических законов и сам стал направленно влиять на природу благодаря
развитию мозга, разума и труда. Эволюция человека протекает по новым
социальным законам - появилась новая форма движения материи социальная, человек - ее носитель. Она включает в себя биологическую
(все свойства живого), но к ней не сводится. Человек меняет биосферу,
физически и химически меняет воздушную оболочку суши, природные
воды, создает новые расы растений и животных, выходит в космос.
Эволюция Земли переживает антропогенную эру - эпоху ноосферы.
"Ноосфера - последнее из многих состояний эволюции биосферы с о с т о я н и е н а ш и х д н е й " (В.И.Вернадский). С о в р е м е н н о е развитие
техники, новые темпы и ритмы жизнедеятельности, новые представления
о пространстве и времени в связи с выходом в космос преображают природу человека, воздействуя на его биологические свойства. Отсюда и
необходимость изучать не только биологические науки, но и общественные и социальные, без знания которых невозможно понять даже биологическое в человеке.
На б и о л о г и ч е с к и е исследования опираются, главным образом,
представления о макро- и микроскопическом строении человеческого
тела, функциях его органов и клеток; представления о механизмах иммунитета, тканевой несовместимости.
П о д л и н н а я р е в о л ю ц и я в лечении и н ф е к ц и о н н ы х болезней,
служивших в прошлом основной причиной смертности, связана с открытием антибиотиков - крупнейшая заслуга биологии XX века.
С увеличением средней продолжительности жизни людей, обусловленной в значительной мере социальными условиями, возрос удельный
вес заболеваний, характерных для старшего возраста, - заболеваний сер10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дечно-сосудистой системы, злокачественных новообразований и др. Это
поставило перед современной медициной новые проблемы, в решении
которых большая роль принадлежит биологии. Так, многие болезни сосудов объясняют еще не вполне изученными биохимией и физиологией нарушениями жирового и холестеринового обмена. Над проблемой рака
единым фронтом работают цитологи, эмбриологи, биохимики, иммунологи, вирусологи. Есть ряд успехов в этой области. Однако радикальное решение проблем злокачественного роста, регенерации органов и
тканей тесно связано с изучением общих закономерностей клеточной
дифференцировки.
Генетика человека, в том числе медицинская генетика, изучающая
наследственные заболевания, становится важным объектом медико-биологических исследований. Уже поддаются диагнозу болезни, связанные
с нарушением строения и набора хромосом. Генетический анализ позволяет обнаружить у человека вредные мутации. Разумное избавление человечества от них обсуждается в биологической литературе.
Все большее внимание привлекает проблема психологического здоровья детей, решение которой невозможно без глубокого естественноисторического, биологического анализа возникновения у животных высших форм нервной деятельности. Выделение среди биологических дисциплин этологии - науки о поведении - существенно приближает решение
этой сложной п р о б л е м ы , и м е ю щ е й не т о л ь к о т е о р е т и ч е с к о е , но и
философское и методологическое значение.
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ
В настоящее время требуют изучения вопросы:
- строения и функций макромолекул, разработки методов определения последовательности нуклеотидов в цепочках РНК и ДНК;
- регуляции внутриклеточных процессов;
- механизмов внутриклеточной дифференцировки в онтогенезе;
- проблем видообразования в макроэволюции;
- происхождения жизни (гипотез много, фактов недостаточно);
- организации рационального природопользования на основе изучения среды обитания человека (Международная биологическая программа).
XX век был "веком биологии". Накопилось много знаний, возросла
относительная роль биологии среди других наук, чему способствует
разработка и применение новых методов и приборов.
Растет число биологических институтов, биостанций, заповедников,
лабораторий, создаются климатолаборатории, в исследованиях исполь11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зуются ЭВМ, готовятся специалисты. По уровню биологических исследований можно судить о материально-техническом уровне общества, т.к.
б и о л о г и я становится реальной производительной силой и основой
отношений между человеком и природой.
Таким образом, в настоящей лекции обосновано место общей биологии в системе наук, выделены уровни организации и свойства живого,
дано определение понятия "живая система" и "жизнь", показана необходимость создания человеку условий существования, способствующих
сохранению здоровья и долголетия, так как потенциально человек может
жить дольше, чем живет в настоящее время.
Л е к ц и я 2. С Т Р У К Т У Р Н О - Ф У Н К Ц И О Н А Л Ь Н А Я
О Р Г А Н И З А Ц И Я К Л Е Т К И КАК Е Д И Н И Ц Ы Ж И В О Г О
1. Клеточная теория: история становления, современное состояние.
2. Структурно-функциональная организация клетки.
3. Жизнедеятельность живой клетки.
1. Рассматривая уровни организации живого, можно отметить, что одним
из них я в л я е т с я клеточный. И м е н н о для этого уровня характерна
однотипность организации живых систем, возможны биосинтез и реализация
наследственной информации, а в истории Земли был период, когда все
о р г а н и з м ы существовали только на этом уровне (первая половина
протерозойской эры).
Изучает строение и функции клетки и ее компонентов цитология
(cytos - клетка, logos - учение). История цитологии связана с изобретением
микроскопа (Галилей и др. 1590 г.) и развитием микроскопической техники.
В 1665 г. Р.Гук пишет работу "Микрография или некоторые физиологические описания мельчайших тел, сделанные посредством увеличительных стекол", в которой впервые называет клеткой пространства, огороженные перегородками и напоминающие пчелинные соты в срезе бутылочной пробки.
Во второй половине XVII в. М.Мальпиги, Н.Грю описывают ячейки
клетки у многих растений, а А.Левенгук описывает обнаруженных им в
капле старой дождевой воды из бочки одноклеточных "анималькулей".
В 1837 г. на съезде немецких естествоиспытателей и врачей Я.Пуркине впервые называет студенистое содержимое клетки "протоплазмой".
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В 1831 же г. ботаник Р.Броун, а затем в 1838 г. немецкий ботаник
М.Шлейден обнаруживают в клетке ядро и приходят к выводу о том,
что оно должно быть обязательным компонентом всех клеток.
В 1838-39 гг. Т.Шван обобщает собственные данные и материалы
работ М.Шлейдена, Я.Пуркине и др., формулируя клеточную теорию.
Ее основные положения: а) все организмы имеют клеточное строение;
б) в основе роста и развития организма лежат образование и размножение
клеток. Несмотря на некоторое преувеличение роли клеточной оболочки
в жизни клетки и роли последней в жизни организма, клеточная теория
явилась важнейшим общебиологическим обобщением для того времени.
Доказывая морфологическое единство всех организмов, данная теория
подготовила появление т е о р и и эволюции, автор которой Ч.Дарвин
считал, что рост и развитие всех организмов идет по единому плану на
основе размножения клеток, а в основе изменчивости живого лежит их
изменчивость
В 1885 г. вышел в с в е т труд Р . В и р х о в а ( н е м . ) " Ц е л л ю л я р н а я
патология", в которой он показал связь патологических процессов с
материальными структурами - клетками. Вирхов впервые высказывав!
мысль, что "каждая клетка - из клетки". Действительно, наука не знает
других способов появления новых клеток, не отрицая возникновение их
какими-то другими путями на заре жизни на Земле. С Вирховым был
с о л и д а р е н и Э . Г е к к е л ь (2-я половина X I X в.), с ч и т а я о р г а н и з м
"клеточным государством" без интеграции, где каждая клетка сама по
себе. И уже против их обоих резко выступали И.Сеченов, О.Гертвиг,
М.Гейденгайн, И.Павлов и др., считая организм новым по сравнению с
клеткой качественным состоянием, имеющим свою систему регуляции нервную и гуморальную.
В 1841 г. Зибольд открывает тип одноклеточных - в науке впервые
появляются понятия одно- и многоклеточности; в 1875 г. Е.Страссбургер
описал митоз, не поняв некоторых его моментов; в 1882 г. В.Флеминг
изучил уже весь кариокинез, а в 1875 О.Гертвиг описал процессы созревания половых клеток и оплодотворения. Несколько позже О.Гертвиг
и Е.Страссбургер обнаруживают в ядре хромосомы (1884). В 1934 г.
Н.Кольцов высказывает предположение о том, что хромосома - гигантская молекула какого-то вещества, и только через 20 лет Уотсон и Крик
предлагают модель ДНК. С появлением электронного микроскопа стало
возможным утверждать об универсальности органоидов в разных клетках одного организма и клетках организмов разных видов, типов, царств.
Ч.Дарвин о таком мог только мечтать!
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, клеточная теория, возникшая около 1,5 века назад,
получила убедительные доказательства на субклеточном, молекулярном
уровнях организации, утверждая материалистические позиции во всех
областях биологии и медицины, " поставив на твердую почву изучение
живой природы" (Ф.Энгельс).
М н о г о г р а н н о с т ь проблем и с с л е д о в а н и я клетки, с о в р е м е н н ы й
уровень развития микроскопической техники и методов исследования
привели к необходимости выделения системы наук ее изучающих: цитоморфологии, цитохимии, цитопатологии и др.
Современное положение клеточной теории:
1) в генетическом, структурном и функциональном отношениях
жизнь обеспечивается клеткой - биологической единицей существования
живого;
2) клетки растений и животных устроены принципиально одинаково,
что отражает единство происхождения всех живых организмов;
3) в настоящее время новые клетки возникают только путем деления
ранее существовавших;
4) многоклеточный организм - не просто сумма клеток, а результат
их взаимодействия.
2. Цитология связывает жизнь с клеткой, однако в природе существуют и ее неклеточные формы - вирусы, фаги. Решение вопроса о них
как о живых структурах зависит от их нахождения - в клетке или вне ее.
Основное большинство организмов имеют клеточное строение.
В организме человека есть клеточные и неклеточные структуры.
Клеточные - все ткани, неклеточные - коллагеновые, эластические
волокна, межклеточное вещество хрящей.
Прокариоты - доядерные организмы, не имеющие обособленного
оболочкой ядра, единственная нить ДНК замкнута в кольцо и не имеет
белкового футляра. У прокариот нет настоящих органоидов, кроме
рибосом. Основной способ деления - амитоз.
Эукариоты - ядерные организмы, генетический материал которых
заключен в хромосомах, состоящих из нитей ДНК и белков. Деление
клеток митотическое. Есть все основные органоиды.
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В связи с разделением функций между клетками и их специализацией
в процессе э в о л ю ц и и многоклеточных организмов сформировались
разные типы клеток (эпителиальные, мышечные, нервные и др.)- Размеры
их широко варьируются: от 4 - 10 мкм (малые лимфоциты человека) до
нескольких сантиметров (яйцеклетки птиц). Прямой связи между величиной организма и размерами клеток не существует, форма же обусловлена выполняемыми функциями: мышечные - вытянуты, покровные
- многоугольные, нервные - звездчатые и др.
Независимо от вида клеток их основными компонентами являются
ядро (кариоплаза) и цитоплазма, отделенные от внешней среды и друг
от друга оболочками.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Клетка покрыта цитоплазматической мембраной и гликокаликсом
(полисахариды и белки), заполнена матриксом (коллоид) - средой, в которой находятся компоненты цитоплазмы: органоиды и включения.
Органоиды - живые обособленные мембранами участки цитоплазмы, обладающие относительно постоянным строением и выполняющие
определенные функции.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обязательным компонентом эукариотической клетки является ядро.
Обычно оно одно - сферической, элипсоидной или лопастной формы.
Есть и многоядерные клетки. Размеры ядра от 1 мкм у простейших до
1 мм у птиц. У млекопитающих - 4-6 мкм.
Положение ядра в клетке обычно фиксируется фибриллярными
структурами, допускающими в пределах его колебательные и вращательные движения.
Ядро обособлено от цитоплазмы 2-мембранной оболочкой, пронизанной порами, связывающими его через ЭПС с цитоплазмой. Оно заполнено кариоплазмой - ядерным соком, в котором под световым микроскопом просматривается зернистое содержимое, называемое хроматином
(chromos - окрашиваемый). Во время деления клетки, в метафазе митоза
зерна хроматина обособлены в виде хромосом, имеющих плечи, перетяжки, спутники, а некоторые и ядрышки. Как ранее было сказано, хромосомы содержат ДНК - вещество наследственности, ядрышки же являются зоной синтеза и накопления рибосомальной РНК, необходимой
для синтеза рибосом.
3. Клетка - э л е м е н т а р н а я м и к р о с и с т е м а , с п о с о б н а я д л и т е л ь н о
поддерживать работоспособность всех структур за счет потоков веществ,
энергии и информации в процессе обмена с окружающей средой.
Обмен веществ - метаболизм включает непрерывный синтез (анаболизм) и частичное разрушение (катаболизм) компонентов живого организма.
Существование такого сложного состояния материи, как "жизнь"
требует затрат энергии - п о д д е р ж и в а ю щ а я энергия. Любая работа,
выполняемая клеткой (поглощение веществ, осмотическая работа и др.),
двигательные реакции, воспроизведение живой материи требуют
д о п о л н и т е л ь н о й энергии ( ф у н к ц и о н а л ь н а я э н е р г и я ) - вся э н е р г и я
поставляется АТФ.
АТФ получает энергию за счет диссимиляции - экзоэргического
процесса расщепления органических веществ (углеводов, жиров, белков),
т.е. в процессе катаболизма. Органические вещества, необходимые как
субстрат для диссимиляции, образуются в ходе ассимиляции.
Ассимиляция - синтез собственных веществ тела из неорганических
исходных веществ (С0 2 , Н 2 0 , NH, - автотрофная ассимиляция зеленых
растений) или органических соединений (чужеродных углеводов, жиров,
белков пищи - гетеротрофная ассимиляция животных и грибов).
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В целом же все организмы в природе связаны друг с другом разными
вариантами цепей питания - синтрофия ("совместное питание").
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Так:
Этот круговорот теснейшим образом связан с планетарным энергетическим циклом. Солнечная энергия в ходе фотосинтеза переходит в
химическую энергию восстановленных органических молекул, которая
используется гетеротрофами для покрытия своих энергетических потребносттей. Химическая энергия, получаемая гетеротрофами из окружающей среды, частично превращается непосредственно в тепло (поддержание постоянной температуры тела), а частично - в другие формы энергии, связанные с выполнением различного вида работы: механической
(мышечные с о к р а щ е н и я ) , электрической ( п р о в е д е н и е нервного импульса), химической (биосинтетические энергоемкие процессы), работы,
связанной с переносом веществ (железы, кишечник, почки и др.). Между
потоками вещества и энергии на Земле существует принципиальное отличие: в результате круговорота веществ между средой и живыми организмами Земля не теряет и не получает эти вещества из вне. Но она теряет
энергию во внешнем пространстве и для поддержания "жизни" ей нужен
постоянный приток энергии солнца. Благодаря этому притоку конечное
вещество биосферы приобретает свойства бесконечности.
Если потоки в е щ е с т в а и энергии о б е с п е ч и в а ю т существование
клетки и организма в пространстве, то ее существование во времени обеспечивают потоки и н ф о р м а ц и и , включающие явления редупликации
ДНК,деления клетки, размножения.
Существование клетки во времени определяется ее жизненным
циклом. Клеточный цикл - существование клетки от деления до деления
или до гибели. У одноклеточных он совпадает с жизненным циклом. В
непрерывно р а з м н о ж а ю щ и х с я клетках - совпадает с митотическим,
включая интерфазу и митоз (И.Чистяков, П.Перемежко, 1874).
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжительность клеточного цикла и его периодов составляет в
размножающихся клетках 10-50 часов, зависит от типа клеток, возраста,
гормонального б а л а н с а организма, количества ДНК в ядре, температуры, времени суток и др. факторов. Наиболее вариабельны по времени
g, и g2, периоды могут удлинняться, собенно у т.н. покоящихся клеток,
тогда выделяют g 0 - помежуток, или период покоя. С учетом периода
покоя клеточный цикл может длиться недели и даже месяцы (например,
у клеток печени). У н е й р о н о в клеточный цикл р а в н я е т с я продолжительности жизни организма.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Биологическое значение митотического цикла - он обеспечивает
преемственность хромосом в ряду поколений, образование клеток, идентичных материнским.
Таким образом, он служит универсальным механизмом воспроизведения клеточной организации эукариот. По времени соотношения
состояний клетки различают ткани стабильные (нервные клетки, деление
только у эмбрионов, потом все время в интерфазе), растущие (поперечнополосатые м ы ш ц ы , почка - б о л ь ш и н с т в о клеток р а б о т а е т , а часть
делится), обновляющиеся (покровный эпителий - часть клеток постоянно
утрачивается, а часть постоянно в состоянии митоза).
Потоки информации обеспечивают и такие процессы в клетке, как
амитоз, эндомитоз, политения, при которых либо не происходит точного
распределения хромосом между дочерними клетками (амитоз в клетках
скелетной мускулатуры, кожного эпителия), либо клетка вообще не делится, а удваиваются или хромосомы (эндомитоз в клетках печени), или
отдельные участки ДНК (политения в клетках слюнных желез некоторых
мух).
У прокариот основной способ деления клеток - амитоз.
Механизмы регуляции клеточной активности определяются уровнем
развития организмов. Так, у большинства многоклеточных митоз контролируется нервной системой, гормонами, кейлонами (веществами,
специфически подавляющими деление клетки),местными факторами.
Нарушение их взаимодействия приводит к общим и местным нарушениям митотической активности клеток. В опухолях митоз выходит
из-под контроля. Большинство клеток начинают делиться амитозом и
обречены на гибель. У растений основными регуляторами митотической
активности являются фитогормоны.
Нормальное течение митоза нарушается при патологических процессах. Существует три вида патологии митоза:
1) повреждение хромосом (набухание, склеивание, фрагментация,
отставание при делении, повреждение центромеры - перетяжки);
2) повреждение митотического аппарата ( нарушение расхождения
центриолей, дезорганизация веретена, задержка некоторых хромосом у
экватора в анафазе);
3) нарушение цитотомии - самого разделения клетки на две, в результате чего возникают двух-, многоядерные клетки под влиянием воздействия ядов, облучения и т.д.
Патология митоза проявляется в развитии опухолей, хромосомных
болезней и др.
В целом же митоз обеспечивает такие процессы в организме, как
рост и регенерация (восстановление клеток и тканей). Известно, что с
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
возрастом количество митозов в различных тканях меняется, и процессы
регенерации в них затухают. Так у пожилых людей очень трудно или
вообще невозможно восстановление кости в местах переломов.
Митозы подчиняются и законам ритмов. Ритмы митозов различны
для дневных и ночных организмов. У человека максимум митозов падает
на утро - именно на утро, как правило, и назначают все плановые операции. Есть сезонные, годовые ритмы, зависящие от солнечной активности.
Митотическую активность клеток можно регулировать лекарственными препаратами. Так, кортизон снижает активность митозов и используется в лечении опухолевых заболеваний, эстрагон - повышает ее и используется в стимуляции восстановительных процессов.
Знание закономерностей клеточной пролифирации (размножения)
необходимо в решении различных медицинских проблем и конкретно
проблем спортивной травматологии.
О д н и м из в а ж н е й ш и х п р о я в л е н и й ж и з н е д е я т е л ь н о с т и клетки
является ее способность к развитию и дифференцировке. Дифференциация клеток в ткани заключается в последовательной реализации наследственной информации, когда без изменения хромосом изменяется
лишь соотношение активных и неактивных генов, кодирующих биосинтез различных белков. Именно благодаря способности клетки к такой
дифференциации стало возможным появление на Земле многоклеточных
организмов с различными типами тканей.
З н а ч и т е л ь н ы е о т к л о н е н и я от нормального ф у н к ц и а н и р о в а н и я ,
необратимые нарушения метаболизма, преждевременное разрушение
органелл и гибель клетки являются результатом действия неблагоприятных внешних (ионизирующего излучения, высоких и низких температур, активных химических веществ извне и выделяемых патогенными
микроорганизмами, недостатком в пище незаменимых аминокислот,
микроэлементов и т.д.) и внутренних (мутаций) факторов. Если клетка
сама не справляется с возникающими повреждениями, то происходят
необратимые изменения функционирования ее компонентов и систем
(нарушения проницаемости и структуры мембран митохондрий, эндоплазматической сети, лизосом, а значит и уменьшение синтеза АТФ, нарушение синтеза белков, лизис внешне здоровых клеток). Повысить проницаемость мембран лизосом могут и гипо- и гипервитаминоз. Причиной
патологии клетки могут быть и размножающиеся в ней вирусы, микоплазмы, бактерии.
Итак, в заключение всего вышесказанного следует отметить, что
именно клетка является элементарной единицей живого на уровне которой хранится и реализуется основная наследственная информация. Жизнь
клетки поддерживается потоками вещества, энергии и информации.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нормальное ф у н к ц и о н и р о в а н и е внутриклеточных структур поддерживает жизнь и многоклеточного организма. Жизнь клетки может нарушаться под воздействием внешних и внутренних факторов. Значит, создание условий, необходимых для нормального существования этой микроскопически малой живой системы, гарантирует и нормальное функционирование всего организма.
Лекция 3. С В О Й С Т В А Ж И В О Г О : М Е Т А Б О Л И З М ,
ДВИЖЕНИЕ, ПОВЕДЕНИЕ
1. Обмен веществ.
2. Раздражимость, рефлекс, движение. Роль и типы движений в природе.
3. Инстинкт, поведение как проявления нервной деятельности.
1. Обмен веществ - последовательное потребление, превращение,
использование, накопление и потеря веществ и энергии в живых организмах в процессе жизни, позволяющие им самосохраняться, расти, развиваться и самовоспроизводиться в условиях окружающей среды, адаптируясь к ее изменениям.
Обмен веществ в клетке
(метаболизм)
анаболизм
(биосинтез,
потребление энергии)
катаболизм
(расщепление,
выделение энергии)
У человека половина всех тканевых белков обменивается в среднем
в течение 80 суток, белки печени и сыворотки крови наполовину обновляются каждые 10 суток, белки мышц - 180, ферменты печени - 2-4
часа.
В тканях организма, в том числе и в мышцах, постоянно идет обновление их белков, анаболические и катаболические процессы строго сбалансированы, и содержание белков остается постоянным. Интенсивная
мышечная деятельность сопровождается увеличением расхода АТФ и,
следовательно, уменьшением возможности ее использования для биологических синтезов. Поэтому при физических нагрузках обновление
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мышечных белков угнетается, причем тем больше, чем в большей степени
понижается содержание АТФ. Процессы катаболизма начинают преобладать над процессами анаболизма. Содержание белка в мышце при этом
несколько снижается. Во время отдыха преобладают анаболические процессы.
Различные обменные реакции прииурочены к определенным участкам клетки:
- цитоплазма - гликолиз;
- митохондрии - аэробное окисление, синтез АТФ;
- рибосомы - биосинтез белка;
- ЭПС - синтез липидов, углеводов.
Большинство реакций в клетке без катализаторов невозможно.
Катализатор, присоединяясь к субстрату, уменьшает энергию активации
и, таким образом, ускоряет реакцию. Ферменты - белковые катализаторы.
Специфичность действия ферментов: каждый фермент может катализировать только определенную реакцию со сходными субстратами.
Фермент и субстрат подходят друг к другу как "ключ к замку". Специфичность действия ферментов генетически запрограммирована.
Ферменты могут находиться:
- в клетке либо в отдельных ее частях (митохондриях, лизосомах);
- в полостях (ротовая полость, желудок, сосуды);
- м о г у т в ы д е л я т ь с я наружу ( б а к т е р и и , пауки, н а с е к о м о я д н ы е
растения).
Условия работы ферментов:
1. Определенный диапозон температур.
2. Определенное значение рН.
3. М н о г и е ф е р м е н т ы д е й с т в у ю т т о л ь к о с н и з к о м о л е к у л я р н о й
органической активной группой - коферментом.
Человек не синтезирует многие коферменты, а поэтому должен
получать их с пищей (витамины).
Обмен между клеткой и средой
Клетка, будучи открытой системой, обменивается веществами с
окружающей средой:
а) пассивный перенос - за счет кенетической энергии передвигающихся частиц.
б) активный перенос - за счет метаболической энергии.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обмен веществ включает процессы ассимиляции и диссимиляции.
Диссимиляция - расщепление органических субстратов с освобождением их химической энергии.
Дыхание - аэробное окисление, для которого необходим кислород.
Брожение - а основном анаэробные процессы. Высшие растения и животные дышат. Брожение характерно для большинства микро-организмов,
а при недостатке кислорода может идти и в клетках высших растений и
животных.
Основной субстрат дыхания - углеводы, могут использоваться жиры
и белки.
Брожение м о ж е т б ы т ь м о л о ч н о к и с л ы м ( б а к т е р и и ) , с п и р т о в ы м
(дрожжи), маслянокислым (бактерии).
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В большинстве видов спорта ( кроме видов спорта на выносливость)
основным источником энергии для мышечной деятельности является
расщепление углеводов. В цитоплазме мышечных клеток каждая молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты,
т.е. идет процесс гликолиза. При этом освобождается и запасается в виде
АТФ некоторое количество энергии.
О б р а з о в а в ш а я с я п и р о в и н о г р а д н а я к и с л о т а п р о н и к а е т внутрь
митохондрий, где окисляется кислородом до углекислого газа и воды,
т.е. идет процесс дыхательного фосфорилирования. Основное количество
энергии выделяется именно в этом процессе.
Биологическое окисление - основной источник энергии для синтеза
АТФ.
Регуляция обмена
Усиленное потребление энергии ускоряет ее выработку, а уменьшенное - замедляет.
Дыхание регулируется метаболитами (промежуточными продуктами обмена) - изменением их концентрации или активности ферментов.
Ассимиляция - превращение чужеродных веществ в компоненты
организма.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Источник энергии для гетеротрофов - пища. Ассимиляция перестройка молекул: белки
пиша
расщепление
•аминокислоты
цитоплазма
синтез
• белки.
При мышечной деятельности высокой интенсивности (например,
беге на 200-400 м) мышечным клеткам не хватает кислорода, чтобы
окислить все количество пировиноградной кислоты, образующейся в
процессе гликолиза. Избыток пировиноградной кислоты восстанавливается до молочной кислоты, которая выходит из мышечных клеток в
кровь. Молочая кислота сдвигает реакцию крови в кислую сторону, что
усиливает активность дыхательного центра. Кроме того, она влияет на
хеморецепторы, расположенные в стенках кровеносных сосудов и передающие сигналы в мозг, который, в свою очередь, посылает нервные
импульсы к дыхательным центрам. В результате глубина и частота дыхания увеличивается - т.о. осуществляется его нейрогуморальная регуляция.
2. Отличительными свойствами живого также являются раздражимость, возбудимость, движение. Благодаря им организм связан с внешней
средой, способен адаптироваться к ее изменениям.
Раздражимость - способность живых организмов воспринимать воздействие внешней и внутренней среды.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Виды раздражителей: физические (температурные, свет, электрические, звуковые и др.), химические (кислоты, щелочи, химизм среды).
По биологическому воздействию могут быть адекватными и неадекватными. А д е к в а т н ы е - действующие на организм в естественных
условиях. Неадекватные - по природе не соответствуют условиям существования. 1-е - для мышечной клетки - нервный импульс, 2-е - механические факторы.
О т в е т н а я реакция зависит от силы раздражения. Наименьшая,
вызывающая ответ - порог возбуждения. Сила раздражения, вызывающая ответную реакцию, зависит от раздражимости организма. На
подпороговые раздражения ответ не возникает. Запороговые раздражения (выше допустимых) губительны для организма. Раздражимостью
обладают и животные, и растения.
В о з б у д и м о с т ь - с п о с о б н о с т ь ж и в ы х о р г а н и з м о в о т в е ч а т ь на
раздражение возбуждением. Это активный ответ клетки или органа, сопровождающийся изменением обмена веществ. Проявляется в специфической для данной ткани или органа форме: мышечные клетки сокращаются, железистые выделяют секрет, нервные проводят возбуждение.
Таким образом, раздражимость и возбудимость - взаимосвязанные
свойства живого
Движение - также свойство живого. Жизнь возникла как система,
несущая в себе возможность двигательной активности. Проявляется в
росте, делении, дыхании, выделении, пищеварении, работе сердца и др.,
гиподинамия действует на организм угнетающе: ухудшается развитие,
уменьшается продолжительность жизни (лабораторные кролики живут
4-5 лет, зайцы на воле - 10-15 лет, бобры - 40-50 лет (в неволе - 30-35
лет).
Велика роль движений в жизни человека, особенно в век НТР. За
п о с л е д н и е 100 лет заметно сократилась доля м ы ш е ч н ы х у с и л и й в
вырабатываемой человечеством энергии (с 94 до 1%).
Г и п о д и н а м и я ухудшает здоровье людей, п р и с п о с о б л я е м о с т ь к
условиям с р е д ы , п о в ы ш а е т з а б о л е в а е м о с т ь . О с о б е н н о опасна для
космонавтов. М а ш и н ы от работы разрушаются, а организм д о л ь ш е
живет при оптимальных нагрузках.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Локомоторные органы: жгутики, реснички - у простейших, в трахее
человека. В процессе эволюции у высокоорганизованных животных
сформировались особые органы движения - скелет и мышцы. Скелет
наружный (хитин, панцирь) и внутренний (кости, хрящи).
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разная среда - разные способы передвижения. У человека конечности
своеобразно дифференцировались - одни для ходьбы, бега, вторые - для
труда.
Формирование движений неразрывно связано с эволюцией нервной
системы.
3. Этапы эволюции НС. Диффузная у кишечнополостных. Нервные
клетки разбросаны по всему телу, однополюсные, т.е. имеют только один
отросток, и импульсы идут в любом направлении. Тело отвечает на них
сокращением л и б о всей массы, либо о т д е л ь н ы х частей. У них нет
специализированных органов передвижения.
Ганглиозная (узловая) - черви, членистоногие. Появились воспринимающие и исполнительные клетки - новые формы движений.
К р а н и а л ь н а я (головной нервный узел) - специализация органов
движения (передвижение, захват пищи, защита).
Т р у б ч а т а я (хордовые) - головной и спинной мозг, кора больших
полушарий. Эволюция связана с развитием коры. Это молодое образование играет все более ведущую роль по отношению к другим (древним)
отделам головного мозга. Наивысшего развития кора больших полушарий достигла у человека.
Дальнейшее развитие получают чувствительные (сенсорные) зоны
коры: зрительная, слуховая и т.д. Они обеспечивают, с одной стороны,
анализ приходящей информации, с другой - связь с другими отделами
головного мозга. Совершенствуется моторная (двигательная) зона.
Нервная система трубчатого типа, как и узлового, построена из
двуполюсных (биполярных) нервных клеток (нейронов).Каждый нейрон
имеет несколько коротких отростков (дендритов) и один длинный (аксон). Аксоны образуют проводящие пути, по которым с высокой скоростью распространяются нервные импульсы.
Развитие р е ц е п т о р н о г о аппарата. Э в о л ю ц и я н е р в н о й системы
связана с развитием особых клеток - рецепторов, воспринимающих
раздражение из внешней и внутренней среды.
На начальных этапах эволюции организмов рецепторы отсутствовали. В о с п р и я т и е раздражений осуществлялось через покровные
клетки животных. Затем произошла специализация покровных клеток.
Они "научились" избирательно различать раздражения, повысилась
чувствительность воспринимающих клеток. Наряду с развитием древних
видов ч у в с т в и т е л ь н о с т и (температурных, вкусовых, осязательных)
появились новые виды, позволяющие воспринимать раздражения на
расстоянии (дистантные рецепторы, воспринимающие звук, свет, запахи).
Развитие рецепторов в головном конце тела способствовало совершен30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обширные сведения об окружающей среде. Именно дистантные рецепторы намного увеличили контакты животных с внешним миром.
Каждому типу нервной системы соответствует определенный тип
рецепторов. Для диффузной нервной системы характерна контактная
чувствительность, для узловой - усиление контактной чувствительности
шло на фоне развития дистантной рецепции (зрение, обоняние и др.).
трубчатый тип нервной системы характеризуется усилением всех форм
чувствительности.
Развитие рецепторов обеспечивает более совершенную организацию
движений. Так, животное с более развитой дистантной рецепцией способно воспринимать добычу или опасность, а, следовательно, организовать свои движения задолго до контакта с ними - формируется нервный
аппарат движений, обеспечивающий вместе с рецепторами сложные
двигательные акты.
Рефлекс в биологическом смысле - приспособительная реакция
организма н а р а з д р а ж е н и е , о с у щ е с т в л я е м а я при п о м о щ и н е р в н о й
системы. Рефлекторная теория разработана отечественными физиологами И . М . С е ч е н о в ы м и И . П . П а в л о в ы м . По П а в л о в у , р е ф л е к с ы
делятся на условные и безусловные. Безусловные - врожденные, передаваемые по наследству нервные связи. Сформировались в процессе эволюции, передаются из поколения в поколение и определяют одни и те же
ответные реакции. Так, изменение температуры внешней среды включает
механизмы, обеспечивающие сохранение нормальной температуры тела.
Условные - обеспечивают более гибкое приспособление к условиям
среды. В п р о ц е с с е ж и з н и р е ш а ю т с я н о в ы е д в и г а т е л ь н ы е з а д а ч и ,
усложняются поведенческие реакции, предугадываются непредвиденные
ситуации. Условные рефлексы позволяют животному в ходе индивидуального развития учиться (обучаться) новому.
Поведение. Вся сложность поведения животных часто не является
разумной (стаи, перелеты птиц, выслеживание добычи, постройка гнезда). Такая врожденная приспособленность называется инстинктом. В
основе ее лежит последовательная цепь врожденных безусловных рефлексов, определяющих основные виды инстинктов: пищевых, половых,
оборонительных и т.д.
Эта цепочка рефлексов запускается комплексом побудителей раздражителей (голодом, жарой, болью и др.), стимулирующих поисковую и другие виды деятельности. Для инстинктивных действий не требуется никакого опыта или предварительного обучения, они совершаются по шаблону, даже если и не согласуются с новыми условиями
жизни. Т.е., "сообразить" как сделать лучше животное не может. Если
пчеле, только что отложившей мед и яйцо в ячейку, подставить пустую
ячейку, она отложит в нее яйцо - произведет уже не нужные действия.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С точки зрения эволюции, инстинкты обобщают опыт прошлых
поколений данного вида животных на основе закрепления в нервной системе
постоянных связей.
Инстинкты - сложные безусловные рефлексы, являющиеся базой для
надстройки условных рефлексов, т.е. они обрастают условными.
Для животных свойственна и элементарная рассудочная деятельность на основе инстинктов. Они способны предвидеть предстоящие
события. Так, собака на охоте может предугадать направление движения
зверя и бежать ему наперехват. Наследственные формы поведения могут
проявляться не сразу после рождения, часто для их развития необходима
определенная степень созревания организма. Так, умея летать от рождения, птицы начинают летать не сразу. В жизни организма есть определенные поведенческие реакции, связанные с чувствительными
периодами развития, когда проявляется наибольшая чувствительность
к конкретному фактору внешней среды. У гусят, утят проявляется рефлекс
следования за чем-то большим только сразу после вылупления, т.е.
проявляется рефлекс запечатления, потом он затухает
С ч и т а ю т , что такой р е ф л е к с есть и у ч е л о в е к а - п о в ы ш е н н а я
способность детей к овладению речью, плаванием, движениями. В 7-8
месяцев ребенок встает на ножки, в 15-18 - ходит, в 22-24 месяца пытается
сам идти по лестнице. В 4 года ребенок умеет прыгать. Дети, похищенные
животными в раннем детстве, часто даже не могут ходить - бегают на
четвереньках. После 3-4 лет в таком плену дети уже не могут научиться
говорить.
Таким образом, неиспользование периода, во время которого, очевидно,
существуют (созревают) наилучшие условия для обучения движениям,
п р и в о д и т к тому, что д в и г а т е л ь н ы е в о з м о ж н о с т и о к а з ы в а ю т с я
нереализованными или для их реализации требуется больше времени, чем
обычно.
Научные факты доказывают, что развитие определенных двигательных качеств (силы, быстроты, выносливости, л о в к о с т и ) лучше
происходит на о п р е д е л е н н ы х возрастных этапах созревания детей.
Поэтому считают, что средства обучения и тренировки должны опираться на биологически обусловленные свойства организма.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л е к ц и я 4. Р А З М Н О Ж Е Н И Е О Р Г А Н И З М О В В П Р И Р О Д Е
1.
2.
3.
4.
5.
Размножение - универсальное свойство живого.
Бесполое размножение.
Половое размножение. Мейоз. Гаметогенез.
Оплодотворение. Партеногенез. Полиэмбриония.
Половой диморфизм. Гермафродитизм.
1. Определяя живое и его свойства, мы выделили одно из них - самовоспроизведение или размножение - способность воспроизводить себе
подобное. Р а з м н о ж е н и е у н и в е р с а л ь н о е с в о й с т в о ж и в о г о , обеспечивающее материальную непрерывность в ряду поколений.
Явление размножения тесно связано с другим свойством живого дискретностью. Так, ж и з н ь каждой особи п о д д е р ж и в а е т с я существованием ее дискретных единиц - клеток, каждого вида - существованием
его отдельных представителей и т.д.
На молекулярном уровне процесс репродукции связан с уникальной
способностью нуклеиновых кислот к самоудвоению. На уровне целого
организма воспроизведение принимает различные формы - от простого
деления клеток у бактерий и других одноклеточных организмов (процесс,
не связанный с полом), до полового размножения высших растений и
животных, предельно сложного в структурном, ф у н к ц и о н а л ь н о м и
поведенческом аспектах. У высших животных размножение не сводится
только к передаче генетической информации, оно связано с эндокринной
регуляцией овогенеза, овуляции и сперматогенеза, со сложными формами
поведения, о б е с п е ч и в а ю щ и м и о д н о в р е м е н н о е с о з р е в а н и е половых
клеток и их встречу, ведущую к образованию зиготы, и, наконец, со
сложной цепью развития и дифференцировки, в результате которых
зигота превращается во взрослый организм.
2. Процессы размножения чрезвычайно разнообразны, хотя в общем
существуют два основных типа: бесполое и половое.
При бесполом р а з м н о ж е н и и новая особь в о з н и к а е т моноцитогенным путем - из одной клетки, или полицитогенным путем - из некоторого числа недифференцированных, способных к делению клеток старой особи.
а). Моноцитогенное бесполое размножение - у одноклеточных
организмов. Основные его формы: бинарное деление (надвое), множественное деление (малярийный паразит), почкование и спорообразование.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Бинарное деление (митоз) - вся особь становится генеративной, из
которой после предварительного деления ядра или его эквивалентов,
образуются две дочерние клетки. Это происходит в результате продольного деления (жгутоносцы или одноклеточные водоросли), поперечного
(бактерии и и н ф у з о р и и ) или деления в неопределенной плоскости
(амебы).
Множественное деление - клетка сразу распадается на большое
число особей, равное числу ядер, заранее образованных в исходной
клетке путем ядерных делений. Свойственно некоторым водорослям
(фораминиферы, радиолярии) и простейшим (споровики). Такая высокая
плодовитость компенсирует большие потери при передаче возбудителя
от хозяина к переносчику и обратно.
С п о р о о б р а з о в а н и е - размножение путем отделения одиночных
клеток (споры или агаметы) от дифференцированных генеративных
клеток. Часто образуются в специальных клетках или органах - спорангиях, могут плавать (зооспоры) или распространяться пассивно.
Почкование - отпочковывание дочерней особи от материнской с
последующим отделением от нее (дрожжевые грибы, сосущие инфузории).
б). П о л и ц и т о г е н н о е вегетативное р а з м н о ж е н и е - многократно
возникало в процессе эволюции и поэтому многообразно.
У р а с т е н и й это размножение растущими органами и их частями
(корневищами, клубнями, луковицами, почками на усах, отводками,
отпрысками и т.д.).
У ж и в о т н ы х - д е л е н и е целой о с о б и : п р о д о л ь н о е д е л е н и е у
пресноводных полипов, актиний; поперечное - также актинии, турбеллярии, пресноводные кольчатые черви; почкование - дочерняя вырастает
из материнской в зоне почкования (пресноводные полипы, кольчатые
черви). Если д о ч е р н и е особи не отделяются от материнской, могут
вырастать колонии.
Клонирование у животных - альбиносы у шпорцевых лягушек.
Полицитогенное бесполое размножение во время эмбрионального
развития (полиэмбриония) встречается, например, у южноамериканских
броненосцев - у них таким способом образуются близнецы от 4 до 8 в
помете.
3. При половом размножении в результате оплодотворения из двух
половых клеток о р г а н и з м о в разного пола (или одного при гермафродитизме) образуется зигота, которая затем развивается в новую
особь. Поскольку при слиянии половых клеток набор хромосом в зиготе
удваивается, на каком-то этапе развития новой особи в ее половых
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
клетках он должен снова уменьшится вдвое — это достигается в процессе
образования новых гамет путем мейоза. Таким образом, цикл полового
размножения связан со сменой ядерных фаз; диплофазы и гаплофазы.
Половое размножение приводит к образованию новых комбинаций
наследственных задатков, полученных от двух родителей, и тем самым к
наследственной изменчивости потомства - важный фактор эволюции.
При мейозе (редукционном делении) диплоидное число хромосом
уменьшается до галоплоидного, при их расхождении каждая дочерняя
клетка получает по одной хромосоме из пары. Чтобы могло произойти
такое уменьшение хромосом в профазе I, гомологичные хромосомы
соединяются попарно.
Интерфаза I - репликация ДНК.
К концу мейоза II образуется четыре гаплоидных ядра, в результате
цитокинеза - четыре гаплоидные половые клетки. Дальнейшая их судьба
различна.
У некоторых мейоз идет в зиготе (одноклеточные), и все остальные
клетки после оплодотворения гаплоидны.
У многоклеточных диплоидных - гаплоидны только половые клетки.
Процесс образования половых клеток называется гаметогенезом.
В процессе гаметогенеза могут образовываться морфологически различные клетки. Отсюда выделяют несколько типов гаметогенеза:
- изогамия - 4 клетки, 3 - лизируются, I изогамета + II изогамета =
зигота у некоторых простейших;
- анизогамия - различные по размерам и формам клетки.
Крайняя форма анизогамии - оогамия - женская гамета неподвижна
и крупная (яйцо), мужская подвижна и очень маленькая (спермий).
Половые клетки у многоклеточных ж и в о т н ы х (за исключением
губок) образуются в особых органах - гонадах (половых железах) в процессе гаметогенеза.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
I- зона размножения: 1 и 1, - сперматогонии и овогонии; II - зона роста; 2 и 2, сперматоциты и ооциты первого порядка; III - зона созревания: 3 и 3, - сперматоциты
и ооциты второго порядка; 4 - сперматиды; 4, - яйцеклетка, 5 - направительные тельца
(1, 2, 3), 6 - превращение сперматид в сперматозоиды, 7 - оплодотворение и
образование зиготы.
Яйцо многоклеточных животных неподвижно, в зависимости от
количества желтка имеет разную величину (у птиц 1-10 см, у человека - 0,2
мм, у морского ежа - 0 , 0 8 5 мм). Имеет одну или несколько оболочек,
включения в виде гранул желтка, есть все органоиды, кроме центросомы.
Типичный сперматозоид состоит из головки, шейки, связующего отдела
и хвоста.
В головке ядро и акросома. По центральной оси жгутика идут 20
микротрубочек. В шейке лежит с п и р а л ь к а митохондрии (снабжает
сперматозоид энергией). Между головкой и шейкой находятся одна или
несколько центриолей.
4. Оплодотворение - процесс слияния цитоплазмы и ядер гамет с
образованием диплоидного синкариона.
Обе гаметы выделяют специфические вещества, способствующие
процессу их слияния.
После внедрения головки и шейки сперматозоида в яйцеклетку
(хвостик остается снаружи) на ней появляется оболочка оплодотворения,
препятствующая внедрению других спермиев. Оба ядра сливаются, центриоль
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
из шейки сперматозойда делится на две и включается в процесс начинающегося затем дробления яйца.
Партеногенез (девственное размножение) - развитие организма из
неоплодотворенного яйца. При диплоидном партеногенезе (тли, дафнии,
коловратки, одуванчик и др.) мейоза не происходит и развитие начи-нается с
диплоидных ооцитов 1-го и 2-го порядка. При гаплоидном парте-ногенезе
развитие начинается с гаплоидной яйцеклетки возникающие организмы при
этом гаплоидны (трутни), либо набор хромосом удваи-вается: путем слияния
яиц с полярным тельцем (рачек артемия), путем удвоения хромосом без
последующего разделения ядра и клетки, путем слияния двух клеток после
1-го деления. Партеногенез встречается у неко-торых червей, ракообразных,
насекомых, рыб и пресмыкающихся.
5. Половой диморфизм - это различия между самцами и самками одного
вида в строении тела, окраске, инстинктах и по другим признакам.
Появляются уже на ранних стадиях эволюции (круглые черви). Ярко выражен
у представителей всех классов членистоногих. Хорошо пред-ставлен у
позвоночных.
Половой диморфизм имеет большое значение для существования и
постоянства вида, позволяя различным представителям животного мира
находить друг друга в природе.
Половой диморфизм человека имеет несколько аспектов:
- генетический - разные кариотипы;
- м о р ф о ф и з и о л о г и ч е с к и й - отличаются внешне, по некоторым
внутренним особенностям, различно развиты функционально в зави-симости
отпола;
- эндокринный;
- поведенческий;
- биологический.
Гермафродитизм. Одна особь может производить мужские и женские
гаметы (гидра, цепни, дождевой червь, некоторые моллюски, рыбы, ящерицы
и др.).
Самая примитивная форма полового размножения - приспо-собление к
сидячему, малоподвижному или паразитическому образу жизни.
Преимущество - возможно самооплодотворение (например, у паразитов
(бычий цепень). Однако, самооплодотворение приводит к вы-рождению, и у
организмов выработались приспособления, препятст-вующие ему.
Гермафродитизм у человека - врожденное нарушение полового развития, при котором наружные половые органы имеют признаки и муж-ские,
и женские, что вызывает затруднения при отнесении индивидуума к какомулибо определенному полу.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гермафродитизм является одной из форм интерсексуализма и встречается в среднем у одного из 2000 новорожденных.
Различаются истинный и ложный гермафродитизм. При истинном,
или синдроме двуполых гонад, наряду с характерными для гермафродитов наружными половыми органами имеются одновременно и мужские
и женские половые железы.
При ложном гермафродитизме половые железы сформированы правильно по мужскому или женскому типу, а наружные половые органы
имеют признаки двуполости.
Истинный г е р м а ф р о д и т и з м встречается крайне редко. Во всей
мировой литературе описано около 150 таких случаев. Хромосомный
набор (кариотип) таких больных обычно соответствует женскому, реже
бывают клетки и с мужским, и с женским кариотипом (явление мозаицизма). У больных имеются молочные железы, возможно проявление
спонтанных м е н с т р у а ц и й , оволосенение по ж е н с к о м у типу, реже с
мужскими чертами, фигура бисексуальная.
При л о ж н о м г е р м а ф р о д и т и з м е р а з в и т и е м о ж е т идти л и б о по
ж е н с к о м у , л и б о п о м у ж с к о м у типу. При л о ж н о м ж е н с к о м гермафродитизме часто диагностируется адреногенитальный синдром, при
котором надпочечники продуцируют андрогены (мужские половые гормоны), и организм с женским кариотипом развивается с признаками
мужского пола.
При м у ж с к о м л о ж н о м г е р м а ф р о д и т и з м е у б о л ь н ы х и м е ю т с я
функционально и морфологически неполноценные внутренние половые
органы, либо мужские, либо женские, а наружные имеют признаки обоих
полов. Может быть и такая форма мужского гермафродитизма, при которой у больных с мужским кариотипом и мужскими половыми железами
из-за врожденной нечувствительности к мужскому половому гормону
тестостерону, формируется женский облик. Вторичные половые
признаки у них практически отсутствуют, наружные половые органы
при рождении расцениваются как женские.
Половая принадлежность человека - понятие не только биологическое, но и социальное, и юридическое. Ошибка в определении т.н. акушерского пола, устанавливаемого при рождении и официально зафиксированного в свидетельстве о рождении, может стать причиной тяжелых
моральных переживаний и бытовых сложностей и для больного, и для
его родственников. Особенно тяжелые последствия имеет отнесение девочек с адреногенитальным синдромом к мужскому полу.
С целью уточнения или исключения диагноза гермафродитизма
детей осматривают эндокринолог, гинеколог, уролог; у них исследуют
половой хроматин, хромосомный набор (кариотип), определяют кон38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
центрацию гормонов в крови и моче, проводят рентгенологическое
обследование надпочечников, для установления истинного гермафродитизма проводят также биопсию гонад.
Больным ложным гермафродитизмом можно помочь путем лечения
соответствующими гормонами, проведением пластических операций, в
некоторых случаях удаляя порочно сформированные половые железы.
Деторождение у гермафродитов невозможно (за исключением больных
с адреногенитальным синдромом).
Возникает необходимость идентификации пола в некоторых
ситуациях и в спорте, когда, например, у судей вызывает сомнение установление спортсменкой рекорда, нехарактерного для ее пола. При
выявлении гермафродитизма спортсменка дисквалифицируется (сексконтроль).
Резюме к лекции может быть следующим:
а) р а з м н о ж е н и е - свойство живого, о б е с п е ч и в а ю щ е е преемственность поколений и непрерывность жизни;
б) достигается это путем бесполого (в полном смысле - себе подобное) и полового (участвуют специальные клетки - гаметы, а результат
- всегда новые варианты) размножения;
в) половые клетки у большинства организмов функционально и морфологически различны - это способствует процессу оплодотворения;
г) в результате оплодотворения образуется зигота, а затем и новый
организм;
д) для человека свойственны все основные особенности перечисленных положений, однако отличают его от животных их высшие формы,
т.е. на чисто биологические особенности репродукции накладываются
социальные, связанные с биосоциальной природой самого человека.
ДЛЯ СПРАВКИ:
Яйцеклетка - 1827 (Карл Бер - эмбриолог).
1/7 мм (130-140 мкм), вес - 0,0015 мг.
В этом микроскопическом образовании есть все, что мать передает
по наследству будущему потомку.
Защищена слоем клеток и так называемой оболочкой (прозрачная).
С п е р м а т о з о и д - по р а з м е р а м в 85000 раз м е н ь ш е я й ц е к л е т к и
(А.Левенгук, 1667):
головка
(3-5 мкм)
ср. часть
(3-5 мкм)
39
хвостик
(30-50 мкм)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В процессе созревания освобождается от цитоплазмы
готов
к оплодотворению.
Яйцеклетка созревает одна в 28 дней, половину этого срока в
яичнике, половину - в яйцеводе - фаллопиевой трубе (лунный месяц) процесс регулируется гормонами.
У О* созревание сперматозоидов идет непрерывно и из нескольких
м и л л и о н о в лишь малая часть достигнет яйцеклетки и только один
оплодотворит ее.
Эдварде оплодотворил яйцеклетку в пробирке, получил зиготу,
потом зародышевый пузырек и уже его имплантировал женщине - родился здоровый ребенок.
Одна зигота дает организм из 5x1014 клеток и у каждой своя жизнь.
Одни делятся всю жизнь (клетки костного мозга выбрасывают до 10 тыс.
эритроцитов в кровяное русло ежесекундно), другие утрачивают эту способность, став специализированными - нервные.
Что заставляет клетки специализироваться? Точного ответа на этот
вопрос до сих пор нет, хотя на это ушли годы.
С т а н д а р т н а я ф о р м у л а " к л е т к а состоит из ядра и ц и т о п л а з м ы "
родилась в XIX веке.
Флеминг - "хроматин" (поел, четверть XIX века - 1879 г.).
Е.Захария (1881) - нуклеин и хромосома - одно и то же.
О.Гертвиг — проникновение спермия в яйцеклетку.
А.Вейсман - н а с л е д с т в е н н о е вещество локализуется в я д р е (в
"хроматиновых гранулах") - учение о зародышевой плазме. Он впервые
увидел разницу между половыми и соматическими клетками в противовес
теории пангенезиса Ч.Дарвина (признаки и свойства передаются
потомству посредством гемул - частиц, поступающих в половые клетки
организма из всех других его клеток).
Хромосомная теория еще не получила в трудах Вейсмана своего
логического завершения, а учение его в 50-е годы нарекли реакционным
(Т.Лысенко).
Теодор Б о в е р и - и н д и в и д у а л ь н о с т ь и д и ф ф е р е н ц и а л ь н а я роль
хромосом и переоткрытие Менделя.
1903 г. - У.Сэттон - менделевские закономерности наследования
абсолютно точно соответствуют поведению хромосом при оплодотворении и образовании половых клеток.
Несколько абстрактно-математический гибридологический анализ
наследования (Менделя) обрел конкретный осязаемый облик в клеточных
структурах и процессах. Основное назначение хромосом - передача
точной информации от поколения к поколению.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л е к ц и я 5. Б И О Л О Г И Я РАЗВИТИЯ О Р Г А Н И З М О В
1. Понятие об онто- и филогенезе.
2. Типы и периодизация онтогенеза.
3. Закономерности эмбрионального развития.
4. Постнатальный онтогенез. Взаимоотношения социального
и биологического в онтогенезе человека.
5. Проблемы геронтологии.
1. В процессе эволюции из возникших первыми на Земле коацерватов
или субликонов, по-видимому, появились примитивные одноклеточные.
Развитие привело их к трем формам организации: к высокоспециал и з и р о в а н н ы м о д н о к л е т о ч н ы м (например, и н ф у з о р и я м ) , к более
крупным, но не подразделенным на клетки многоядерным (грибам, некоторым водорослям) и к многоклеточным. К самым высокоразвитым жизненным формам пришли только многоклеточные, этому способствовало
преимущество разделения функций между клетками с различной специализацией. Переход к многоклеточности в ходе эволюции совершался
многократно и независимо в разных группах организмов, в результате
чего сформировалось все многообразие существующих ныне представителей живого.
Процесс исторического развития типов, классов...видов определяется понятием филогенез.
Каждый живой организм проходит и определенный процесс индивидуального развития - онтогенез.
Онтогенез (onto - сущее, genesis (греч.) - зарождение, происхождение)
- процесс индивидуального развития организмов, представляющий
собой совокупность закономерных, взаимосвязанных, характеризующихся определенной временной последовательностью морфологических,
физиологических и метаболических преобразований в организме от
момента его обособления как индивидуальности до смерти или прекращения существования в прежнем качестве (например, в результате деления одноклеточного организма).
Термин "онтогенез" введен в 1866 г. немецким зоологом Э.Геккелем
в связи с ф о р м у л и р о в к о й о с н о в н о г о б и о г е н е т и ч е с к о г о закона "онтогенез есть краткое и сжатое повторение филогенеза". В современном
понимании онтогенез - не только повторение филогенеза, но и его основа,
т.к. историческое развитие складывается из и н д и в и д у а л ь н о г о всех
слагающих его организмов
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Онтогенез принято делить на эмбриональный (зародышевый) и
постэмбриональный периоды: 1-й - от оплодотворения до рождения или
выхода из яйцевых оболочек, 2-й - от рождения до смерти.
Продолжительность каждого периода онтогенеза определяется
особенностями развития организмов данного вида и действием экологических факторов.
На основе взаимодействия организмов с внешней средой на разных
этапах развития выделяют типы онтогенеза:
1) л и ч и н о ч н ы й (с м е т а м о р ф о з о м ) - обеспечивает в процессе
п о с т э м б р и о н а л ь н о г о развития на о п р е д е л е н н о й вставочной стадии
(личинка) специфические взаимоотношения с внешней средой для питания и развития. Метаморфоз - переход от личиночной стадии к половозрелой (например, превращение "яйцо - личинка - куколка - половозрелая
стадия" у насекомых). Характерен метаморфоз для животных, яйцеклетки
которых бедны питательным материалом (членистоногих), для земноводных, яйцо которых богато желтком, но они сохранили смену сред
обитания и др.
2) н е л и ч и н о ч н ы й - прямое развитие без превращений. К моменту
выхода из яйцевых оболочек организм имеет весь необходимый набор
органов, отличаясь лишь некоторым их недоразвитием - характерен для
животных, откладывающих яйца со значительным содержанием желтка
(птицы, рептилии).
3) внутриутробный - характерен для плацентарных млекопитающих
и человека, яйцеклетка которых бедна желтком, и питание плода идет за
счет организма матери.
3. Количество желтка в яйцеклетке определяет и тип онтогенеза, и
ход э м б р и о н а л ь н о г о развития, в к л ю ч а ю щ е г о процессы дробления,
гаструляции, закладки осевых органов и тканей.
Дробление - увеличение количества клеток, делящихся митозом без
их последующего роста. Начинается дробление с разделения зиготы
( о п л о д о т в о р е н н о й я й ц е к л е т к и ) на две э м б р и о н а л ь н ы х клетки бластомеры. Затем они делятся еще 7-8 раз. Заканчивается дробление
образованием б л а с т у л ы - однослойного зародыша. Если желтка в
яйцеклетке б ы л о мало, то все б л а с т о м е р ы будут о д и н а к о в ы м и по
величине (ланцетник). Если желтка было много (земноводные), то одни
бластомеры будут мелкими (крыша бластулы), другие - крупными (дно).
При очень б о л ь ш о м количестве желтка он мешает дроблению, и в
результате деления клеток образуется только зародышевый диск (птицы,
р е п т и л и и ) . Н е з а в и с и м о от способа д р о б л е н и я стенка б л а с т у л ы
образована эмбриональными клетками, ограничивающими ее полость,
- бластоцель.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г а с т р у л я ц и я - процесс образования двуслойного зародыша гаструлы. Этот процесс также зависит от количества желтка в яйцеклетке
и предшествующего типа дробления. Существует несколько вариантов
гаструляции: впячивание стенки бластулы с образованием первичной
кишки и двух слоев клеток (ланцетник), обрастание крупных бластомеров
мелкими (лягушка), расслоение клеток стенки бластулы на два листка
(насекомые), выселение клеток стенки бластулы во внутренний слой
(кишечнополостные). Заканчивается этот процесс образованием
гаструлы - зародыша, состоящего из двух слоев клеток: наружного эктодермы и в н у т р е н н е г о - э н т о д е р м ы . Это з а р о д ы ш е в ы е листки.
Энтодерма ограничивает полость первичной кишки.
У многоклеточных животных, кроме губок и кишечнополостных,
развитие п р и в о д и т к закладке т р е т ь е г о з а р о д ы ш е в о г о л и с т к а мезодермы и осевого комплекса органов (нервной трубки, хорды и
вторичной кишки).
Кишечник и хорда у ланцетника развиваются из энтодермы, нервная
трубка - из эктодермы. Мезодерма выделяется из состава энтодермы в
виде карманов, обособляясь в сегменты, называемые сомитами. Два
листка м е з о д е р м ы образуют выстилки полости тела и в н у т р е н н и х
органов. Между ними закладывается вторичная полость тела - целом.
У человека яйцеклетка содержит мало желтка, и расположен он
н е р а в н о м е р н о . Д р о б л е н и е же я й ц е к л е т к и идет а с и н х р о н н о и
неравномерно, гаструляция - путем впячивания, обрастания, расслоения,
т.е. смешанный тип.
Из зародышевых листков экто-, энто-, мезодермы развиваются все
основные органы зародыша. Их взаимное расположение в теле эмбриона
подчиняется закону эмбриональной индукции. Так, если зародышу на
брюшную сторону пересадить участок спинной губы первичного рта
(бластопора)другого зародыша на стадии ранней гаструлы, то у первого
зародыша разовьются два осевых комплекса (опыты Шпемана).
У всех трехслойных животных зародышевые листки экто-, энто- и
мезодерма дают начало одним и тем же органам.
Э к т о д е р м а дает начало покровной ткани (эпидермису кожи) с ее
железами и производными структурами (кутикуле, хитину, известковым
раковинам, волосам, перьям, чешуе, когтям, ногтям, копытам и др.). из
нее образуются сенсорный эпителий органов чувств, хрусталик глаза,
нервная система, задняя доля гипофиза и др.
Из м е з о д е р м ы образуются с т е н к и ц е л о м а (у п о з в о н о ч н ы х б р ю ш и н а , п л е в р а , б р ы ж е й к и ) , о с н о в н а я часть м у с к у л а т у р ы ,
соединительная, опорная ткани, кровеносные сосуды, клетки крови,
сердечная мышца, почки, семяпроводы, яйцеводы.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из э н т о д е р м ы ф о р м и р у ю т с я э п и т е л и й с р е д н е й кишки с его
придаточными железами (печень, поджелудочная железа у позвоночных,
железы средней кишки у беспозвоночных), хорда, жаберные карманы и
их п р о и з в о д н ы е - л е г к и е , п л а в а т е л ь н ы й п у з ы р ь , в и л о ч к о в а я и
щитовидная железы.
С момента закладки нервной трубки, х о р д ы и кишки зародыш
ч е л о в е к а вступает в н о в ы й период развития - п л о д н ы й , во время
которого теперь уже у плода идет формирование тканей и органов, вырабатываются специфические белки, способствующие их дифференциации.
П е р е д а ч а н а с л е д с т в е н н о й и н ф о р м а ц и и в этом п р о ц е с с е идет
избирательно, каждая клетка содержит весь набор хромосом, но не все
гены оказываются функционально активными. В клетках будущих тканей
работают разные блоки генов. Считают, что в организме есть особые
механизмы, включающие эти блоки, а значит и синтез специфических
белков.
Развивающийся в утробе матери зародыш млекопитающих покрыт
с п е ц и а л ь н ы м и о б о л о ч к а м и , служащими для его питания и защиты
(хорион, плацента, амнион). Кровь матери с кровью плода не смешивается, процессы обмена идут через плаценту, однако она полупроницаема и вместе с полезными веществами пропускает к плоду вещества,
опасные для его развития.
На ранних этапах пренатального (дородового) онтогенеза организм
по-разному реагирует на влияние повреждающих факторов. П.Г.Светлов
назвал такие периоды критическими и выделил их три:
а) имплантация — 6-7-е сутки после зачатия;
б) плацентация - конец 2-й недели беременности;
в) перинатальный (роды).
Эти периоды совпадают с переходом от одной стадии развития к
другой и с изменениями условий существования зародыша и плода.
Факторами, н а р у ш а ю щ и м и нормальное развитие плода, могут быть
токсины, яды, никотин, алкоголь, лекарства. Такие факторы называют
тератогенными - порождающими уродства.
Онтогенез человека принято делить на два периода: внутриутробный
(пренатальный) и внеутробный (постнатальный).
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3
Внутриутробное развитие человека
Время
(сутки)
События
зачатия
0-6
7-8
7-19
21
24
28-35
42
56
(8 недель)
75
90
270
Эмбриональный период
Дробление (начинается еще в маточной трубе, заканчивается стадией
дискобластулы в матке).
Имплантация (погружение зародыша в стенку матки).
Гаструляция
Закладка нервной пластинки.
Закладываются зачатки нервной, пищеварительной, кровеносной систем
Закладываются зачатки жаберных щелей и жаберные карманы, из
которых формируются среднее ухо, вилочковая, околощитовидная,
щитовидная железы. Зародыш особо чувствителен к талидомиду, вирусу
краснухи.
Дифференцируются семенники у О*
Завершается зародышевый период,
заканчивается закладка всех органов и тканей
Плодный период
Идет мейоз в яичниках.
Сформированы все основные органы. Размер ок. 30 мм
Роды
С момента оплодотворения до рождения происходит усиленный рост
зародыша и плода: яйцеклетка весит 0,3 мг , новорожденный - 3-4 кг,
больше, чем в 1 млн. раз.
У ж е у д в у х м е с я ч н о г о з а р о д ы ш а возникают в з а ч а т о ч н о й форме
почти все основные структуры тела. Длина его 25 мм, внешне похож на
человека. До 9-ти месяцев продолжается развитие органов, рост. Идет
выработка специфических белков, способствующих д и ф ф е р е н ц и р о в к е
органов и тканей.
4. Переломным моментом онтогенеза человека является рождение:
организм переходит в новые условия существования (новые формы
питания и дыхания, изменение деятельности системы кровообращения
и др.). Д е л е н и е п о с т н а т а л ь н о г о онтогенеза на п е р и о д ы о с н о в а н о на
морфологических и функциональных изменениях, происходящих в
организме после рождения. Каждый из периодов характеризуется
различной степенью зрелости функциональных систем, определенными
пропорциями тела, темпами роста, эффективностью обучения, степенью
участия в трудовой деятельности.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3
Постнатальный (внеутробный) онтогенез человека
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В среднем продолжительность его жизни - 70 лет.
Есть календарный возраст, а есть "биологический", часто несовпадающий с календарным. В работе с детьми нужно учитывать оба.
Основные проявления онтогенеза до периода зрелости - рост и развитие.
Рост - количественное увеличение размеров тела (митозы). Масса
тела взрослого в 20-25 раз превышает размеры новорожденного, длина
.тела (рост) - в 3-3,5 раза.
Р а з в и т и е - процесс качественных преобразований, совершенствования органов и организма в целом.
Рост и развитие тесно связаны между собой.
Основные законы роста и развития:
1. Рост и развитие обусловлены влиянием наследственных факторов
и определяются генетической программой за счет взаимодействия генов
отца и матери.
2. Г е н е т и ч е с к а я п р о г р а м м а может р е а л и з о в а т ь с я только под
влиянием условий среды.
На разных этапах онтогенеза доля наследственности и среды
различна.
Велика доля среды на ранних этапах развития.
3. Процессы роста и развития необратимы.
4. Возрастные изменения носят неравномерный характер - в утробе
темпы роста значительно больше, чем после рождения.
5. Рост и развитие происходят не одновременно. Каждой части тела
соответствует своя кривая роста; развитие скелета и рост идут параллельно. Головной и спинной мозг растут в раннем детстве и к Ю.годам
достигают максимальных размеров (гетерохрония).
6. На рост и развитие влияют и природные факторы: летом и осенью
дети растут быстрее.
7. Развитие человека - процесс биосоциальный, его определяют
воспитание, обучение, жилье, гигиенические условия, труд, физическое
развитие и т.д.
Отношение человека к среде тоже с п е ц и ф и ч н о - он не просто
приспосабливается, а приспосабливает среду к своим потребностям.
Рост и развитие человека регулируются внешними и внутренними
факторами.
В н у т р е н н и е ф а к т о р ы Деятельность нервной системы и желез
внутренней секреции (гипофиз, щитовидная железа, половые железы и
ДР-)47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нервная - за 2-3 месяца до рождения уже сформирована, но наиболее
интенсивно ее развитие до 3-5 лет и особенно коры больших полушарий.
К 2 годам вес мозга ребенка составляет 70% веса мозга взрослого
человека. Считают, что дальше масса мозга увеличивается не за счет
у в е л и ч е н и я к о л и ч е с т в а н е р в н ы х клеток, а за счет ф о р м и р о в а н и я
отростков.
Мозг не только увеличивается, но и изменяется качественно: совершенствуется связь между ЦНС и двигательной системой, сенсорными
системами (зрительной, слуховой и др.), совершенствуется высшая нервная деятельность.
Железы внутренней секреции выделяют гормоны, обладающие большой биологической активностью.
Нарушения деятельности желез внутренней секреции влияют на рост
и развитие.
Гипофиз выделяет соматотропный гормон, количество которого
приводит к появлению карликов или гигантов.
Г о р м о н ы щ и т о в и д н о й железы р е г у л и р у ю т р о с т и у м с т в е н н о е
развитие.
Половые железы продуцируют гормоны, определяющие различия
по полу, половое созревание (кастрация приводит к увеличению веса
животных).
Внешние ф а к т о р ы
Питание (полноценная пища).
Температура.
Атмосферное давление.
Гравитация.
Влажность.
Радиация (наследуются изменения).
Мощный фактор развития - движение, физические упражнения. Зайцы живут 12 лет и более; домашние кролики - 4,5-6 лет.
"Мышечное голодание" опасно для человека так же, как недостаток кислорода или витаминов. Движение - основа жизни, оно начинается
еще у плода.
После рождения роль движения еще больше —• тренируются мышцы
— с и д е н и е — • с т о я н и е — • ходьба и бег.
Движение —• труд—•
способность управлять движениями.
Тренировка скелетных мышц улучшает деятельность внутренних
органов, поэтому при многих болезнях показаны физические упражнения.
Роль движений и социальна - развитие движений в процессе трудовой деятельности з а к р е п и л о вертикальную ходьбу и двигательные
навыки, а, в конечном счете, это еще и возможность развивать интеллект.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зрелый возраст - период расцвета всех функций организма и относительной стабилизации морфологических и обменных процессов, а к 5560 годам начинается существенная перестройка ряда функций и систем,
Появляются болезни, характерные для более старших возрастных групп.
В пожилом возрасте наиболее часты заболевания сердечно-сосудистой
системы - гипертоническая болезнь, атеросклероз и др.
В старческом возрасте идет общая инволюция организма, снижается
надежность адаптации.
В н е ш н и е проявления возраста зависят от к о н с т и т у ц и о н а л ь н ы х
особенностей организма, и сроки биологического и календарного возрастов могут не совпадать.
О возрасте судят на основании роста, веса тела, количества зубов,
состояния кожи.
Так, возраст плода и новорожденного определяют по длине его тела,
размерам головы и длинных трубчатых костей.
У детей, подростков и юношей учитываются рост, вес, окружность
грудной клетки, количество и состояние зубов. Важным критерием для
точного определения возраста служат вторичные половые признаки.
Объективным методом определения возраста является рентгенологическое установление костного возраста по наличию точек окостенения
в кисти и дистальном отделе костей предплечья. Необходимость установления костного возраста возникает в спортивных ситуациях на соревнованиях или при дозировании нагрузки на тренировках, в также в клинике
и судебной медицине.
5. З а к л ю ч и т е л ь н ы м и з а к о н о м е р н ы м п р о ц е с с о м или э т а п о м
онтогенеза является старение. Люди с глубокой древности стремились
познать его сущность и найти способы продления жизни. Проблема старения давно стала предметом философских дискуссий о сущности жизни
и смерти. Еще Энгельс в "Диалектике природы" писал, что "... отрицание
жизни по существу содержится в самой жизни ... жить - значит умирать".
Мало, что известно о процессе старения и насколько он сходен у
различных живых существ. Клетки и ткани в культуре практически
б е с с м е р т н ы , они гибнут л и ш ь при н е б л а г о п р и я т н ы х у с л о в и я х .
Отмирание к р у п н ы х деревьев происходит, п о - в и д и м о м у , по ч и с т о
механическим причинам - из-за трудности доставки веществ на большую
высоту. В дикой природе животные часто не доживают до старости,
первые же признаки старения становятся причиной их гибели.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1
Продолжительность жизни в природе
Виды организмов
Продолжительность жизни в природе
средняя
максимальная
мышь
2
3
коза
9
18
кошка
15
21
обезьяна
15
29
собака
15
34'
бык
23
30
человек
крокодил
70
200
120(150)
300
кит
400
57
индийский слон
поденка(личинка)
имаго (врослая)
трутень
3 года
6 часов
несколько часов после оплодотворения
Продолжительность жизни человека точно не установлена, полагают, что она находится в пределах 120-130 лет. Не установлен до сих
пор и максимальный срок долгожительства. Попытки приписать долголетие первобытному человеку ничем не обоснованы - не найден ни один
скелет неандертальца в возрасте 60 лет (Д.Г.Рохлин, 1965). По данным
антрополога П.С.Розова, до 69,4% наших предков, ж и в ш и х на Алтае,
умирали в возрасте 20-40 лет при среднем возрасте 15 лет.
С прогрессом человеческого общества продолжительность жизни
резко увеличилась, составляя в настоящее время в экономически развитых странах 70 лет и старше. Вопрос же о предельных границах человеческой жизни до сих пор дискуссионен. Наиболее вероятным пределом
человеческой жизни, о г р а н и ч е н н ы м смертью, с ч и т а ю т 115-120 лет, а
о ч а г а м и д о л г о л е т и я с т а л и З а к а в к а з ь е , Г о р н ы й А л т а й , Я к у т и я и др.
районы. Объясняют это явление отсутствием стрессов, систематическим
употреблением вегетарианской пищи, экологическими факторами.
Правильней, по-видимому, б ы л о бы объяснить долголетие действием
сложного комплекса эколого-генетических факторов. Старость и смерть
генетически обусловлены и у р а з н ы х о р г а н и з м о в по р а з н о м у жестко
запрограммированы в пределах трех групп:
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 - продолжительность жизни очень жестко запрограммирована,
влияние среды здесь незначительно;
2 - влияние среды достаточно заметно;
3 - продолжительность жизни слабо детерминирована генетически,
но может сильно колебаться под влиянием факторов внешней среды.
Человек относится ко второй группе, когда р о л ь генетических
факторов огромна, но генетический потенциал реализуется только в
определенных условиях среды. Давно отмечена связь между долголетием
родителей и их потомков. Одни связывают это с доминантностью гена
долголетия, сцепленного с половыми хромосомами; другие считают, что
должен действовать комплекс генетических факторов. Тем не менее, из
литературы известно, что люди, дожившие до 90 и 100 лет, имели одного
или обоих долголетних родителей. Наследуемость долголетия отмечена
у а н г л о с а к с о в , ф и н н о в , к и т а й ц е в , б о л г а р с б о л ь ш е й степенью
наследуемости долголетия матери, чем отца.
Наследуемость долголетия - общебиологическое явление, однако
сравнение ж и з н и р о д и т е л е й и п о т о м к о в не в ы я в л я е т роли
наследственности и среды в долголетии. Больше и н ф о р м а ц и и дает
сравнение жизни близнецов. Так, известно, что монозиготные близнецы,
живущие в разных условиях, умирают примерно в одинаковом возрасте,
что является а р г у м е н т о м в пользу н а с л е д с т в е н н о й д е т е р м и н а ц и и
долголетия. Причем установлено, что долголетие матери обусловливает
долголетие потомков обоих полов, а отцов - только сыновей. Можно
предположить, что ген долголетия сцеплен с половыми хромосомами.
Среди н а с л е д с т в е н н ы х факторов о п р е д е л е н н о е
значение для
п р о д о л ж и т е л ь н о с т и ж и з н и имеет г е т е р о з и с ( " г и б р и д н а я сила").
Проявляется г е т е р о з и с при с к р е щ и в а н и и д в у х и м б р е д н ы х линий
(близкородственное скрещивание) у животных и растений. Подобное
можно наблюдать и в человеческих популяциях. Так, в сообществе людей,
длительное время живущих в изолятах, накапливаются из-за близкородственных браков гомозиготные по отдельным генам организмы. При
нарушении изоляции степень такого насыщения уменьшается, что проявляется в гетерозиготном усилении жизнеспособности и, как следствие,
долголетии (гетерозис чаще всего встречается в горах, где больше
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
изолятов). Гетерозис совсем необязательно предполагает долголетие метисы Центральной Америки вдвое не долгожители.
На продолжительность жизни потомков влияет и возраст родителей:
потомки старых родителей менее долговечны (старые матери чаще
рожают детей с наследственными аномалиями). Старшие дети живут
дольше младших.
Известно явление и противоположное долгожительству - прогерия,
или преждевременное старение, когда дети могут стареть в 7-12 лет.
Прогерию может вызвать эмоциональный шок, сильные переживания,
хотя механизмы, ее вызывающие, неизвестны. Ясно только то, что
нарушаются генетические механизмы нормального старения. Используя
ионизирующее излучение, можно ускорять или даже вызывать старение
- одна из попыток изучить развитие прогерии.
Н а п р а ш и в а е т с я вывод, что н е о б х о д и м ы м условием долголетия
является отсутствие факторов, вызывающих наследственные заболевания
или ухудшение жизнеспособности организма.
Кроме гипотезы генетической обусловленности старения и
долголетия существует целый ряд других. Известно до 20 гипотез
старения, в разработке части из них огромны заслуги русских ученых
И.И.Мечникова, И.П.Павлова, А.А.Богомольца и .др.
Гипотеза изнашивания - износ организма и его частей во второй
половине жизни.
Гипотеза растраты жизненной энергии - с зиготы организм начинает
расходовать генетически запрограммированный энергетический фонд
и чем интенсивнее, тем быстрее стареет.
Гипотеза аутоинтоксикации - в организме накапливаются "шлаки
жизни" - свободные радикалы, повреждающие клетки. Один из вариантов этой гипотезы разработал И.И.Мечников, согласно которому в организме накапливаются кишечные яды, приводящие к старению.
Считают, что первичные механизмы старения могут быть связаны с
изменениями процессов биосинтеза белка при снижении репликации
ДНК, синтеза Р Н К , накопления ошибок т р а н с к р и п ц и и . Причинами
старения могут быть сдвиги в нейрогуморальной регуляции, нарушения
обмена кальция, накопление в коже, сосудах волокнистого белка коллагена, накопление в организме пигмента старения липофусцина, создающего нехватку кислорода и витаминов.
Обилие гипотез лишь подтверждает мнение о несостоятельности
большинства их них и отсутствии в современной науке общепринятой
научной теории старения. Однако некоторые общие закономерности
этого процесса выведены.
Обычно выраженные признаки старения - изменение внешнего вида,
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
психики, снижение работоспособности, физической активности и др. -.
появляются у человека в возрасте 60 лет (возраст от 60 до 75 лет условно
считают пожилым). Фактически же процесс старения начинается тогда,
когда заканчивается рост и развитие организма. Так, уже в 30-35 лет
происходит снижение уровня активности биологических процессов. Темп
и характер с т а р е н и я определяют п р и с п о с о б и т е л ь н ы е в о з м о ж н о с т и
стареющего организма. Они обусловлены генетически и зависят от
конституции человека.
Процесс физиологического старения начинается в разных тканях и
органах не одновременно и протекает с различной интенсивностью:
снижается ж и з н е с п о с о б н о с т ь клеток (изменяется биосинтез белка,
снижается а к т и в н о с т ь о к и с л и т е л ь н ы х ф е р м е н т о в , у м е н ь ш а е т с я
количество митохондрий, нарушается функция клеточных мембран) клетки разрушаются и гибнут. Потеря клеток неодинакова в различных
органах и т к а н я х о д н о г о и того же о р г а н и з м а , что зависит от их
функциональной активности. Так, в процессе старения у человека
истончается кожа, появляются морщины, пигментные пятна; волосы
седеют, редеют, ломаются; развивается атрофия мышц, истончается
подкожная жировая клетчатка.
У с т а р е ю щ и х людей может уменьшаться рост, ограничивается
подвижность суставов, походка становится медленной и неуверенной,
быстрее наступает утомление. В соединительной ткани обнаруживаются
изменения во всех компонентах: разволокнение волокон, уплотнение
отдельных их участков, утончение других.
Основные проявления старения у человека связаны с возрастными
изменениями ф у н к ц и й ЦНС. О с л а б л я е т с я п о д в и ж н о с т ь п р о ц е с с о в
возбуждения и торможения, труднее вырабатываются условные
рефлексы, изменяется характер безусловных рефлексов, нарушается
память, с н и ж а е т с я у м с т в е н н а я и ф и з и ч е с к а я р а б о т о с п о с о б с н о с т ь ,
ухудшается деятельность анализаторов - уменьшаются вибрационная,
тактильная, температурная, болевая чувствительность, острота зрения,
слух. Все это происходит на фоне уменьшения массы мозга, расширения
борозд, увеличения мозговых желудочков, числа лизосом, изменения
структуры митохондрий, появления очагов деструкции в отдельных
нейронах и уменьшения количества клеток в коре больших полушарий,
спинно-мозговых ганглиях и т.д.
Вследствие деструкции рецепторного аппарата нарушаются
трофика и регуляция тканей.
Ограничение адаптационных возможностей стареющего организма
во многом определяется возрастными изменениями сердечно-сосудистой
системы - у людей старше 60 лет уменьшается масса сердца, нарастают
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
изменения в миокарде, утолщаются оболочки кровеносных сосудов и в
них накапливаются соли кальция, уменьшается плотность капилляров в
различных органах. Нарушается сердечный ритм, снижается частота
сердечных сокращений в состоянии покоя и. т.д.
В процессе старения развиваются склеротические изменения в
эндокринной, дыхательной системах. В последней несколько увеличивается частота дыхательных движений, чаще возникают дыхательные
аритмии, уменьшается жизненная емкость легких и их максимальная
вентиляция Страдают функции пищеварительной и выделительной
систем.
Все эти нарушения проявляются в накоплении состояний, расцениваемых как заболевание.
Старение м о ж е т б ы т ь ф и з и о л о г и ч е с к и м и п р е ж д е в р е м е н н ы м .
Профилактикой преждевременного старения занимаются геронтология
и гериатрия.
Геронтология изучает процессы старения (geros - старик), а гериатрия - болезни пожилых и старых людей, методы их профилактики и лечения.
П о ж и л ы е л ю д и , п е р е с т у п и в ш и е п е н с и о н н ы й р у б е ж , вносят
значительный вклад в развитие общества, и задачей врачей-геронтологов
является проведение мероприятий, тормозящих процесс старения или
смягчающих .действие уже возникших возрастных изменений.
Сохранению нормальных функций регуляторных систем, поддерживающих физиологическое равновесие организма, способствует разумный образ жизни с соблюдением режима труда и отдыха (ужин не позднее,
чем за 3 часа до сна, прогулки перед сном и т.д.), полноценная, количественно ограниченная диета со снижением общей калорийности рациона,
в пожилом возрасте на 1/4, в старческом - на 1/3, в основном за счет сокр а щ е н и я количества ж и в о т н ы х жиров и у г л е в о д о в , м а к с и м а л ь н о е
ограничение употребления острой и соленой пищи.
Серьезной проблемой при старении становится опорожнение кишечника. Для профилактики запоров и нормализации двигательной активности кишечника рекомендуются молочно-растительная диета, овощи,
фрукты, активный образ жизни.
Одна из главных причин преждевременного старения - гиподинамия.
Ее отрицательное воздействие на организм в пожилом и старческом возрасте сказывается значительно сильнее, чем в молодом. Поэтому особое
значение для людей старших возрастных групп приобретает утренняя
зарядка, прогулки, работа в саду, рыбная ловля, охота.
Трудовые р е к о м е н д а ц и и д о л ж н ы с о о т н о с и т ь с я с возрастом,
состоянием человека, его квалификацией.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Соблюдение мер профилактики преждевременного старения способствует сохранению физических и духовных возможностей пожилых и старых людей, а, значит, и их активному долголетию.
Процессы старения провоцируются и внешними факторами. Так,
полноценное питание продлевает жизнь, если соответствует энергозатратам. Укорачивают жизнь алкоголь и никотин, переедание, употребление больших количеств жира и углеводов, стрессы, малоподвижный
образ жизни.
Проблемы долголетия - биосоциальны. В развитых странах продолжительность жизни больше, хотя в значительной мере она обусловлена
наследственностью (это доказано на близнецах).
Завершающим этапом развития, когда организм уже не способен
противостоять разрушающему влиянию окружающей среды, является
смерть. Проявляется она в том, что еще живы эпителий и соединительные
ткани, растут волосы и долго могут сокращаться мышцы, но прекращается работа сердца, умирает мозг. Кусочки ткани из неразложившегося
трупа могут долго жить в культуре, их можно сохранять для трансплантации.
Смерть присуща всем организмам и возникла в процессе эволюции
как приспособительный признак, обеспечивающий сохранение вида
путем замены одряхлевших особей молодыми.
Смерть может быть от старости, насильственной или от болезни.
Может быть клинической и биологической. Из состояния клинической
смерти (7-10 минут с момента остановки сердца) человека можно вернуть
к жизни путем реанимации. Биологическая смерть необратима.
В ц и в и л и з о в а н н ы х с т р а н а х для л ю д е й , о ж и д а ю щ и х с м е р т и и
знающих об этом, строят хосписы. Человек должен знать свою судьбу и
быть готовым встретить смерть достойно. Два таких заведения есть и в
нашем городе.
Много споров вызывает использование в некоторых странах
эйтаназии - умышленного ускорения летального исхода при тяжелых
заболеваниях и безнадежном состоянии больного. Большинство врачей
настроены против такого способа лишения людей жизни, другие же
считают его гуманным .
Вопрос о жизни и смерти подчас зависит от состояния духа человека,
от того, считает ли он сам необходимым и оправданным свое существование. Право на здоровье является в социальном плане исходным в
утверждении права на жизнь, тем более долгую, чем более эффективно
реализуются все б и о л о г и ч е с к и е резервы человека. Н е о б х о д и м о с т ь
продолжения жизни при ее естественной ограниченности представляет
собой важную и общественную, и личную задачу каждого человека.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
И всегда остается в силе мудрое изречение римского философа Сенеки:"...
л у ч ш и й с п о с о б у в е л и ч е н и я п р о д о л ж и т е л ь н о с т и жизни - это не
укорачивать ее".
Таким образом, закончена лекция об онтогенезе человека, даны
основные типы и периоды онтогенеза, показана роль наследственности
и среды в его проявлении, выделены условия сохранения и продления
жизни.
Лекция 6. В О С С Т А Н О В И Т Е Л Ь Н Ы Е П Р О Ц Е С С Ы В О Р Г А Н И З М Е
КАК П Р О Я В Л Е Н И Я Р А З В И Т И Я . Г О М Е О С Т А З
И ТРАНСПЛАНТАЦИЯ
1. Понятие о регенерации органов и тканей. Формы репаративной регенерации.
Значение регенерации в жизни организма.
2. Понятие о гомеостазе.
3. Трансплантация органов. Тканевая несовместимость и пути ее преодоления.
1. Развитие - не только комплекс возрастных морфо-функциональных изменений при переходе в различные возрастные периоды, но и восстановление отдельных частей организма, органов или тканей.
Regenerate - восстановление - процесс воспроизведения утраченного,
процесс вторичного развития, т.к. первичное - сам онтогенез. Полагают,
что наследственные основы и регенерации, и эмбриогенеза одинаковы.
Регенерировать могут "снашиваемые" клетки, ткани, органы - физиологическая регенерация, а могут случайно утраченные - репаративная.
Дж.Джонсон (1823) открыл способность к регенерации в первых
опытах на планарии, надсекал тело планарии (плоский червь) и наблюдал
отрастание второй головы или второго хвоста от раневой поверхности.
Физиологическая регенерация - явление самообновления живых
систем на различных уровнях их организации. Путь физиологической
регенерации определяется структурой и функцией этих систем.
Зависимость между ними можно выделить в две категории:
1. Ф и з и о л о г и я органа, т к а н и с о п р о в о ж д а е т с я р а з р у ш е н и е м
довольно большого компонента: смена клеток или их комплексов кишечник, семенник, яичник, кожа с ее производными (4-5 дней - срок
жизни), клетки крови (120 дней), роговица. Гидра, планария, немертина
могут восстанавливаться из 1/100 тела, растения могут отрастать из
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
черенка. У осьминога за неделю восстанавливается откушенная муреной
"рука", отрастает хвост ящерицы (самокалечение в случае опасности).
2. Функция органа немыслима без постоянного сохранения клеточной структуры (нервная система, поперечно-полосатая мускулатура).
Здесь смена клеток затруднена, а смена комплексов невозможна.
В зависимости от этих категорий взаимоотношений пути и способы
физиологической регенерации различны: в 1-м случае смена клеток и
комплексов идет путем митотического деления, во 2-м - путем регенерации на уровне органоидов.
Репаративная регенерация (Д.С.Саркисов, 1962) - процесс вторичного развития, связанный с воспроизведением структур, утраченных в
результате травмы или воздействия патологического фактора. Определяется возможностями физиологической регенерации. Кожа регенерирует хорошо, хрящи - плохо.
Способы репаративной регенерации (см. схему 1):
1. Гомоморфоз - восстановление утраченного органа в том же виде
и объеме (лапки тритона).
2. Гетероморфоз - другой (вместо глаз у рака усики-антенны).
3. Эпиморфоз (гомоморфоз) - сохранившаяся часть органа неизменна
или мало изменена, а недостающая часть отрастает от раневой поверхности, где рассасывается поврежденная ткань, и восстановление идет от
регенерационных зачатков —• формируется утраченный орган (конечность после ампутации у ящерицы, тритона, нервные волокна, кожа - у
млекопитающих). Рубцевание - закрываются раны без восстановления
органа.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. М о р ф а л л а к с и с - внутренняя перестройка оставшейся части органа
с восстановлением исходной формы (у многих беспозвоночных). Часто
3 и 4 сочетаются. Морская звезда из луча, планария - из 1/4500.
5. Эндоморфоз - атипичная. Впервые описан на печени - при удалении
ее части зарастает рана, а исходная масса восстанавливается за счет
размно-ения клеток и гипертрофии - регенерационная гипертрофия.
Прежде о ней говорили как о компенсаторной гипертрофии.
6. Компенсаторная гипертрофия - увеличивается интактный орган
при утрате парных органов (почка - 70-90% массы обоих).
Степень и формы регенерационной способности различны у разных
животных, что необходимо знать применительно к человеку.
В этих же группам многие могут восстанавливать только часть тела
(голову, хвост), другие - только отдельные органы - усик, глаз - раки,
части мантии, головы, глаз, щупальца, раковины - моллюски.
У млекопитающих и человека в основе регенерирующей способности
(по данным электронной микроскопии) лежит не просто размножение
клеток, а восстановление и гиперплазия их структур (увеличение числа
ядерных и цитоплазматических органелл), что приводит к нормализации
функций органа при удалении его части.
При этом г л а в н ы м в регенерации о р г а н а является не столько
достижение исходных анатомических параметров, сколько нормализация
нарушенных функций. Таким образом, процесс регенерации является не
просто биологической проблемой (восстановление утраченных органов),
а имеет прямое отношение к решению проблем компенсации нарушенных
функций в современной клинической медицине.
Существующее мнение о затухании регенерирующей способности
с повышением уровня организации животного - несостоятельно.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Так, у млекопитающих и человека регенерация характеризуется
разнообразием своих проявлений, т.е. сменой одних форм регенерации
другими, и различна в разных органах и тканях.
Исходная форма этйх органов часто не восстанавливается, в месте
травмы - рубец (поперечно-полосатые мышцы, нервы), а утраченная
часть восстанавливается за счет неповрежденных отделов, т.е. проявляется регенерационная и компенсаторная гипертрофия.
Так, печень через 3-4 недели после резекции восстанавливает 70%
паренхимы (эхинококкоз), исходный вес и функциональную активность.
Таким образом, в различных органах способность к регенерации
связана с их структурно-функциональными особенностями и для человека выражается в двух формах - клеточной и внутриклеточной, которые
в разных органах или сочетаются, или существуют обособленно - с одним
общим проявлением - гиперплазией внутриклеточных структур в сохранившихся или полученных путем митоза клетках.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эффективность регенерации часто определяется условиями:
1) общим состоянием больного (истощение, гипоавитаминоз, нарушение иннервации);
2) степенью функциональной нагрузки (она должна быть правильно
дозированной - мышцы, переломы);
3) возрастом, хотя здесь регенерация больше зависит от тяжести
заболевания, чем от самого возраста и от снижения обменных процессов;
4) изменением общих и местных условий: дефект свода черепа закрывается быстрей при нанесении костных опилок на поврежденное место.
Тем не менее, в процессе эмбрионального и постнатального онтогенеза степень функциональной зрелости, а, значит, и регенерирующей
способности организма значительно меняется;
Скорость регенерации определяют внешние факторы (атмосферное
давление, время суток, пища), внутренние факторы (денервация конечностей снижает темпы митозов у лягушек, нанесение кусочка мозговой
ткани на культю новорожденного опоссума повышает регенерацию).
У человека при введении нейротропного агента восстанавливаются
дефекты спинного мозга, конечностей новорожденных детей.
Гормоны надпочечников, щитовидной, половых желез регулируют
митотическую активность, повышая степень регенерации. Мощными
регуляторами м и т о т и ч е с к о й активности, а значит и стимуляторами
регенерации являются нейлоны и простагландины.
Так как травмы органов могут быть бытовыми, производственными
и спортивными, изучение механизмов регенераций необходимо для
решения проблем реабилитации спортсменов.
Знание м е х а н и з м о в р е г у л я ц и и р е г е н е р и р у ю щ е й способности
органов позволяет управлять процессами выздоровления, определяет
степень регенерации и гомеостаз.
2. Гомеостаз - свойство живых систем поддерживать постоянство
внутренней среды (температуру, обмен и др.) независимо от параметров
окружающей (У.Кеннон, 1929, 1932).
Универсален во всех своих проявлениях: обменный, организменный,
биоценотический гомеостаз.
В основе всех лежит обменный гомеостаз.
Живые системы могут саморегулироваться как кибернетические
системы, т.е. взаимодействуют не случайно, а определенным образом.
Организм - система управляющих и исполняющих блоков с принципом
саморегуляции - кибернетическая система. Звенья этой системы работают
на разных уровнях:
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Механизмы регуляции гомеостаза: нервные, гуморальные, иммунологические.
Иммунологический гомеостаз - сохранение относительно постоянной антигенной (белковой) структуры соматических клеток, проявляет
себя при трансплантации.
3. Т р а н с п л а н т а ц и я - пересадка тканей или органов у растений,
животных и человека с целью их замещения з практической медицине
или эксперименте как метод изучения морфогенеза и даже на цитологическом уровне.
В зависимости от степени родства донора и реципиента различают
несколько видов трансплантации.
1. Аутотрансплантация - операции пересадки органов и тканей
(кожи, жироваой ткани, хрящей, костей) в пределах одного организма.
Особенно хорошо идет п р и ж и в л е н и е у м о н о з и г о т н ы х близнецов изотрансплантация.
2. Аллотрансплантация - в пределах одного вида (хрящ, роговица),
здесь проявляется биологическая несовместимость.
3. Ксенотрансплантация - от организмов другого вида. Кости от
жеребят и телят, печень от свиньи, сердечные клапаны от жеребят и ягнят.
Т р а н с п л а н т а ц и я у с п е ш н о удается у о р г а н и з м о в более низших
уровней организации (кишечнополостных, плоских).
Научные основы трансплантологии заложены в XIX в. Сначала
пересаживались кожа, кости, слизистые, роговица, с начала ХХв. - органы
и соединения сосудов. Органы и ткани используются полученные
прижизненно и заготовленные впрок. Сохраняют ткани либо в культуре,
либо консервируют быстрым замораживанием с предварительной
лиофилизацией (обезвоживанием).
Роль пересаживаемых тканей:
1. Замещающая.
2. Продукты жизнедеятельности способствуют регенерации. Однако
при алло- и гетеро- (ксено-) трансплантации происходит отторжение из-за
биологической несовместимости. Она напрямую зависит от гомеостаза. В
реакции отторжения участвуют клеточный и гуморальный факторы.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пути преодоления тканевой несовместимости:
1. В л и я н и е на т р а н с п л а н т а н т ( о б л у ч е н и е , з а м о р а ж и в а н и е с
высушиванием).
2. Влияние на реципиента (облучение, воздействие стероидными
гормонами).
3. Иммунологическое сближение донора и реципиента (создание
искусственной толерантности - ослабление иммунитета (эмбрионам
вводят чужеродный белок - они примут потом как свой).
4. Подбор биохимически близкого трансплантанта.
5. Гемосорбция.
6. Изучение механизмов подавления иммунитета.
7. Создание искусственных органов (почка).
Гомеостаз меняется в разные возрастные периоды. Так, у детей
преобладают процессы ассимиляции над диссимиляцией, в связи с чем
нейро-йндокринный контроль у них оказывается более напряженным, а
нарушения гомеостаза встречаются чаще, чем у взрослых (незрелость
гомеостатической функции почек, расстройства ЖКТ, дыхательной
функции легких).
При с т а р е н и и о р г а н и з м а п о с т о я н с т в о в а ж н е й ш и х ж и з н е н н ы х
функций поддерживается в условиях уменьшения надежности и сокращения возможного диапазона физиологических изменений гомеостаза.
вместе с угасанием и деградацией ряда функций развиваются специфические приспособительные механизмы. Изменяются механизмы нейрогуморальной регуляции, увеличивается чувствительность тканей к действию гормонов и медиаторов на фоне основных нервных влияний.
Легко происходят срывы адаптационных возможностей, приводя к
развитию патологических нарушений или к смерти.
Таким образом, закончен раздел биологии, включающий вопросы
биологии р а з в и т и я , р е г е н е р а ц и и и т р а н с п л а н т а ц и и как вариантов
проявления этого развития.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лекция 7 . М О Л Е К У Л Я Р Н Ы Е О С Н О В Ы Н А С Л Е Д С Т В Е Н Н О С Т И
1. Молекулярные основы наследственности.
2. Уровни организации наследственного материала эукариот. Структура
и функции гена.
1. Необычайное разнообразие внешнего облика людей, физических
и психических их возможностей всегда остаются источником удивления
и восхищения. Еще Плиний старший в "Естественной истории" писал,
что хотя лица людей состоят из десяти или немногим более частей, они
устроены так, что "среди многих тысяч нет двоих, которых нельзя было
бы отличить друг от друга". Не остается неизменным на протяжении
жизни и каждый человек. Однако, меняясь во всех своих проявлениях,
человек подчинен биологическим закономерностям на разных этапах
своего развития. Эти закономерности исторически и индивидуально
обусловлены, определяются наследственностью, образом жизни,
состоянием окружающей среды, состоянием здравоохранения.
Элементарной единицей любого организма является клетка миниатюрный носитель жизни, подчинивший собственную свободу деятельности организма в целом. В каждой клетке заключена информация,
д о с т а т о ч н а я д л я того, ч т о б ы был в о с п р о и з в е д е н весь о р г а н и з м
(В.М.Дильман, 1986).
Еще в прошлом веке биологи изучали процессы клеточного деления,
образования п о л о в ы х клеток. При этом они наблюдали, что перед
делением клетки в ней происходит расхождение хромосом, а половые
клетки получают их половинное количество. Это доказывало, что именно
хромосомы являются носителями наследственной информации. Позже
было выяснено, что хромосомы состоят из двух веществ - ДНК и белков.
Какое же из них несет генетическую информацию? Поначалу считали,
что белки -они устроены более сложно, включая до 20 аминокислот, тогда
как ДНК - т о л ь к о 4 нуклеотида. О ш и б о ч н о с т ь этого у т в е р ж д е н и я
выяснилась только в 40-х годах нашего столетия с возникновением новой
области современной науки - молекулярной биологии.
То, что именно ДНК является носителем генетической информации,
было доказано в опытах по трансформации у бактерий.
Трансформация - свойство ДНК перемещаться в чужеродную клетку,
перенося в нее новую генетическую информацию.
В опытах с б а к т е р и я м и брали два ш т а м м а п н е в м о к о к к о в вирулентные, имеющие защитную капсулу и вызывающие пневмонию у
животных, и авирулентные, не имеющие такой капсулы и заболевание в
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
силу этого не вызывающие. Из вирулентных бактерий были последовательно выделены белки, л и п и д ы , углеводы, ДНК. К культуре авирулентных пневмококков добавляли каждый из этих компонентов, и только
при добавлении Д Н К бактерии с т а н о в и л и с ь вирулентными, образуя
з а щ и т н у ю к а п с у л у . Т а к и м о б р а з о м , было д о к а з а н о , что носитель
наследственной информации - Д Н К .
Позже были в ы я в л е н ы о с н о в н ы е з а к о н о м е р н о с т и химического
строения ДНК:
I. ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота состоит из нуклеотидов:
2. При соединении нуклеотидов в цепочку ДНК фосфат одного из
них присоединяется к дезоксирибозе другого, образуя сахарно-фосфатный остов.
3. Молекула ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов, закрученных в спираль. В этой спирали две нити сахарно-фосфатного остова идут
параллельно друг другу, внутрь от них и перпендикулярно к ним располагаются азотистые основания. В целом получается своеобразная закрученная в спираль лестница, "веревками" которой сложат нити остова, а "перекладинами" - пары азотистых оснований.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Азотистые основания располагаются друг против друга в строго
определенной последовательности по принципу к о м п л е м е н т а р н о с т и аденин всегда связан с тимином двумя водородными связями, гуанин с
цитозином - тремя. Поэтому в любой молекуле ДНК количество аденина
равно количеству тимина, гуанина - количеству цитозина.
5. ДНК любого организма состоит из одних и тех же четырех нуклеотидов, но их соотношение у представителей разных видов различно и
специфично - для одного вида.
2. П р о к а р и о т ы - организмы, клетки которых не имеют ограниченного мембраной ядра, это все бактерии, включая архебактерий и цианобактерий (сине-зеленых). Аналог ядра - структура, состоящая из ДНК,
белков и РНК, закрепленная на клеточной мембране.
Э у к а р и о т ы - их клетки содержат оформленные ядра. Это высшие
растения, животные, одно- и многоклеточные водоросли, грибы, простейшие. Ядерная ДНК у них у всех заключена в хромосомы.
Закономерности наследования и изменчивости признаков вытекают
из принципов организации наследственного материала эукариот, к каковым относится и человек. Наследственный материал эукариот организован в трех уровнях; генном, хромосомном и геномном.
Г е н н ы й у р о в е н ь . Элементарная структура на этом уровне - ген,
именно он обеспечивает передачу определенных признаков от родителей
потомкам. Ген - единица функционирования наследственного материала
эукариот.
Современная теория гена содержит следующие положения:
1. Ген занимает определенный участок (локус) в хромосоме.
2. Ген (цистрон) - часть молекулы ДНК, имеющей определенную
последовательность нуклеотидов. Число нуклеотидов, входящих в состав
различных генов, неодинаково.
3. Внутри гена могут происходить рекомбинации, к ним способны
части цистрона - реконы, и мутирование, к нему способны части рекона
- мутоны. Рекон также и наименьшая часть хромосомы, способная к
р е к о м б и н а ц и и при к р о с с и н г о в е р е . Мутон как е д и н и ц а м у т а ц и и наименьшая часть гена, способная изменяться (мутировать), т.е. способен
к изменению элементарного состава в результата утраты или приобретения дополнительных нуклеотидов, изменения их положения в гене и т.д.
4. Гены различны по роли в ДНК - структурные, функциональные и
т.д.
Структурные гены кодируют синтез белков, не принимая в нем
непосредственного участия. ДНК - матрица для молекул информационной РНК. В хромосоме структурные гены не идут последовательно один
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
за другим, между ними есть довольно большие участки ДНК, не поддающиеся расшифровке. Можно предположить, что это гены модуляторы,
ослабляющие или усиливающие действие структурных генов, гены-регуляторы, регулирующие функциональную активность тех же структурных
генов. А могут быть и летальные, приводящие в гомозиготном состоянии
к гибели потомства и др. Интересно, что у млекопитающих в ДНК содержится до 95% таких неподдающихся расшифровке генов и только 5% собственно структурных. Кроме структурных все остальные гены - "инструкции" для структурных, определяющие работу последних в зависимости от условий.
Свойства гена:
1) дискретность действия - разные гены кодируют разные признаки;
2) стабильность - если нет мутаций, ген передается в ряду поколений
не изменяясь;
3) специфичность действия - каждый ген определяет один признак
или их группу (плейотропия -"синдром Марфана", при котором один
ген кодирует развитие аномалии хрусталика, недоразвитие внутренних
органов, пальцев - "паучьи" длинные, тонкие пальцы);
4) большинство генов существует в виде аллелей данного гена -главное, что каждый из них занимает один и тот же локус гомологичной
пары хромосом. Разные аллели - варианты мутаций одного гена;
5) расположение триплетов нуклеотидов в структурных генах соответствует расположению аминокислот в молекуле белка, кодируемого
данным геном - генетический код;
6) молекулы ДНК способны к репарации - самостоятельному исправлению повреждений, поэтому не всякие повреждения гена ведут к мутациям;
7) генотип, будучи дискретным (состоящим из отдельных генов),
функционирует как единое целое.
Функциональная активность гена заключается в процессе транскрипции.
Т р а н с к р и п ц и я ("переписывание") - синтез молекул иРНК, или
мРНК, на молекуле ДНК.
рибосомы
ген
(ДНК)
транскрипция
в ядре
иРНК
(мРНК)
трансляция
в цитоплазме
0ел0К
В м о л е к у л а х ДНК с и н т е з и р у ю т с я три типа РНК - м а т р и ч н а я
(информационная), рибосомальная и транспортная. В ДНК есть гены,
ответственные за синтез всех трех видов РНК, но только гены матричной
содержат информацию о структуре белков.
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Среднее время жизни одной молекулы мРНК у бактерий около 2-х
минут, в клетках высших организмов они могут работать много дней.
Так, зрелые эритроциты человека не содержат ядра, но синтез гемоглобина может в них идти несколько дней после его утраты.
Рибосомальная РНК вместе с белком образует рибосому.
Т р а н с п о р т н а я РНК доставляет а м и н о к и с л о т ы к месту синтеза
белковой цепи — к рибосомам. Триплет нуклеотидов тРНК антикодон
соединяется в рибосоме с комплементарным ему триплетом мРНК, и аминокислота, присоединенная к тРНК, остается в рибосоме, где из аминокислот идет сборка белковой молекулы. Процесс идет на всех рибосомах,
пока каждая из них не дойдет до стоп-кодона мРНК (неинформативного
кодона).
Регуляция активности гена происходит:
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ген способен к репарации - восстановлению повреждений.
В процессе индивидуального развития гены работают гетерохронно,
т.е. в разное время одни гены "выключаются", .другие - "включаются" .
Поскольку гены эукариот располагаются последовательно в ДНК
хромосом, отсюда и следующий уровень организации их наследственного
материала - хромосомный.
Элементарная единица на этом уровне - хромосома, представляющая
собой комплекс ДНК и белков: гистонов и негистонных белков. Гистоны
входят в состав нуклеосом. Каждая из них состоит из 6 белковых молекул,
образующих глобулу. Вокруг глобулы двумя витками накручено до 140
нуклеотидов. Д л и н а ДНК в большой х р о м о с о м е п л о д о в о й мушки
дрозофиллы около 4 см, а длина самой мушки - 4 мм. Понятно, что ДНК
должна быть п л о т н о "упакована" в хромосоме, что и достигается с
помощью нуклеосом. От степени скручивания нитчатых структур зависит
длина самой хромосомы.
На различных участках одной и той же хромосомы спирализация ее
участков в интерфазе митоза (когда хромосома деспирализована) неодинакова, с чем связана интенсивность окраски самой хромосомы. Интенсивно воспринимающие краситель участки называют гетерохроматином
и считают, что он функционально неактивен, и потеря его участков не
может отразиться на жизни клетки. Слабо окрашивающиеся участки
хромосом, н е в и д и м ы е между делениями, н а з ы в а ю т эухроматином,
именно он содержит в себе гены.
В метафазе митоза, когда хромосомы спирализованы и видны по
отдельности в плоскости экватора клетки, они имеют форму нитей, палочек и т.д. Внешний вид хромосом в зависимости от расположения перетяжки (центромеры) различен: метацентрические - равноплечие, их плечи,
равной или почти равной длины, расположены по обе стороны центромеры, акроцентрические - палочковидной ф о р м ы с коротким почти
незаметным вторым плечом, субметацентрические - с плечами неравной
длины.
Некоторые х р о м о с о м ы имеют глубокие в т о р и ч н ы е перетяжки,
отделяющие спутники, входящие в состав ядрышковых организаторов здесь идет синтез рибосомальных РНК.
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Установлено, что каждый вид живых организмов имеет определенное и постоянное для него число хромосом - правило постоянства. Так,
в ядрах клеток лошадиной аскариды 2 хромосомы, у мушки дрозофиллы
- 6, у человека - 23 пары, причем количество их в клетке не зависит от
уровня организации.
Следует обратить внимание на то, что во всех приведенных выше
примерах число хромосом четное, так как во всех соматических клетках
каждая хромосома имеет себе гомологичную - одинаковую по величине,
форме, расположению центромеры и гетерохроматиновых участков -в
этом выражается п р а в и л о парности хромосом. Каждая пара хромосом
отличается от любой другой целым рядом особенностей - правило индивидуальности хромосом.
В последовательных генерациях клеток сохраняется постоянное
число хромосом и их индивидуальность вследствие того, что хромосомы
обладают способностью к самоудвоению (авторепродукции) при делении
клеток - п р а в и л о непрерывности хромосом. Двойной набор хромосом
соматических клеток (клеток тела) называют д и п л о и д н ы м . Половые
клетки содержат лишь по одной хромосоме из каждой пары - у аскариды
всего одну, у дрозофилы - 4, у человека - 23. Такой одинарный набор
хромосом называют гаплоидным. При оплодотворении каждая половая
клетка вносит свой гаплоидный набор хромосом, и зигота становится
диплоидной.
Половые клетки мужских и женских особей отличаются одной
хромосомой - либо X, либо У. Одинаковые пары хромосом зиготы
называют а у т о с о м а м и , отличающиеся хромосомы одной пары назвали
половыми или гетерохромосомами. XX - у женского организма, ХУ - у
мужского.
Высшим уровнем организации наследственного материала эукариот
является геномный.Геном как элементарная единица этого уровня - набор
генов в г а п л о и д н о й стадии р а з в и т и я о р г а н и з м а . У д и п л о и д н о г о
организма гомологичные геномы соматических клеток функционируют
как единое целое. Геном хранит и передает информацию от поколения к
поколению, координирует все процессы биосинтеза путем дифференциальной активности генов в разных клетках и в разное время (принцип
гетерохронии). Именно на этом уровне взаимодействие задатков и одной,
и разных хромосом обусловливает проявление морфологических и функциональных свойств организма.
Таким образом, наследственный материал эукариот реализует свои
функциональные возможности на трех уровнях: генном, хромосомном
и геномном в процессах транскрипции и трансляции. Свойства гена
определяются вариантами наследования и условиями среды.
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л е к ц и я 8. О С Н О В Ы Г Е Н Е Т И К И
1. Закономерности наследования и их цитологическое обоснование.
Типы наследования.
2. Взаимодействие генов.
3. Хромосомная теория наследственности.
На прошлой лекции мы остановились на том, что генетика изучает
законы наследственности, наблюдая законы наследования.
Наследственность - свойство организмов передавать в ряду поколений с х о д н ы е п р и з н а к и и обеспечивать с п е ц и ф и ч е с к и й характер
индивидуального развития в определенных условиях среды. Благодаря
наследственности родители и потомки имеют сходный тип биосинтеза,
определяющий сходство в химическом составе тканей, характере обмена
веществ, физиологических отправлениях, морфологических признаках
и других о с о б е н н о с т е й . Вследствие этого каждый вид организмов
воспроизводит себя из поколения в поколение.
И з м е н ч и в о с т ь - я в л е н и е , противоположное наследственности,
заключается в изменении наследственных задатков и вариабельности их
проявлений в процессе развития организмов при взаимодействии с
внешней средой. Наследственность и изменчивость, являясь противоположными свойствами живого, в филогенезе находятся в неразрывном
единстве, когда новые признаки сохраняются в последующих поколениях, т.е. наследуются.
П е р е д а ч а н а с л е д с т в е н н ы х свойств о с у щ е с т в л я е т с я в процессе
размножения.
Наследование - способ передачи наследственной информации в зависимости от форм размножения: при бесполом размножении наследование
осуществляется через вегетативные клетки и споры с большой степенью
сходства между материнскими и дочерними поколениями; при половом
- оно осуществляется через половые клетки, в результате слияния которых
степень сходства меньше, а комбинативная изменчивость, кроссинговер
в гаметогенезе и случайные варианты слияния гамет при оплодотворении
дают гораздо более богатый материал для отбора в процессе эволюции.
Клетки, через которые осуществляется преемственность поколений
(половые - при половом размножении, соматические - при бесполом),
несут в себе не сами признаки и свойства будущих организмов, а только
задатки их развития. Эти задатки получили название генов.
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ген - участок м о л е к у л ы ДНК или х р о м о с о м ы , о п р е д е л я ю щ и й
возможность развития отдельного признака, т.к. несет информацию о
структуре одной молекулы белка. Свойства же и признаки организма
определяются свойствами слагающих его белков. Возможность проявления гена в признаке в значительной степени зависит от условий внешней среды.
У всех организмов одного и того же вида каждый ген располагается
в одном и том же локусе (месте) строго определенной хромосомы. В гаплоидном (одинарном) наборе хромосом половых клеток (гамет) имеется
только один ген, ответственный за развитие конкретного признака.
В диплоидном наборе соматических клеток каждая хромосома имеет себе
парную (гомологичную), и значит, два гена определяют развитие какогото признака. Гены, расположенные в одних и тех же локусах гомол о г и ч н ы х х р о м о с о м и о т в е ч а ю щ и х за р а з в и т и е о д н о г о п р и з н а к а ,
называются а л л е л ь н ы м и .
Генотип - совокупность всех генов одного организма.
Ф е н о т и п - совокупность всех признаков и свойств организма.
Фенотип развивается на генетической основе в результате взаимодействия организма с условиями среды. Организмы с одинаковым генотипом могут отличаться друг от друга в зависимости от условий развития
и существования. П р е д е л ы изменчивости фенотипа, обусловленные
средовыми факторами, называются нормой реакции.
Гомозигота - диплоидная или полиплоидная клетка, гомологичные
хромосомы которой несут аллельные гены, кодирующие проявление
одного и того же признака (АА, аа). Термин "гомозиготный" введен
У.Бэтсоном в 1902 г. для обозначения наследственно-однородных организмов, в потомстве которых не происходит расщепления признаков.
Гетерозигота - клетка (Аа), гомологичные хромосомы которой
несут различные аллели (взаимоисключающие - альтернативные) того
или иного гена. Гетерозиготность (Аа), как правило, обусловливает
высокую жизнеспособность организмов, хорошую приспособляемость
их к изменяющимся условиям среды и поэтому широко распространена
в природных популяциях. В потомстве гетерозигот всегда происходит
расщепление признаков.
Основным методом изучения законов наследования стал гибридологический. Автор его - чешский ботаник-любитель Грегор Мендель на основании личных н а б л ю д е н и й установил д и с к р е т н ы й характер
организации наследственного материала (родительские задатки), постоянство существования наследственных задатков во времени - закон
стабильности, а л л е л ь н о е состояние этих з а д а т к о в , о т к р ы л законы
наследования при моно- полигибридном скрещивании. Позднее эти
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
з а к о н ы были п о д т в е р ж д е н ы д р у г и м и ц и т о л о г и ч е с к и (с п о з и ц и й
клеточной и хромосомной теорий).
Основные положения гибридологического метода:
1) учитывается не весь комплекс признаков у родителей, а анализируется наследование по отдельным альтернативным признакам;
2) проводится точный количественный учет проявления каждого
признака в ряду поколений: прослеживается не только первое поколение
от скрещивания, но и характер потомства каждого гибрида в отдельности. Скрещивание, в котором родительские особи анализируются по двум
вариантам признака, обусловленного одной парой альтернативных
генов, называется моногибридным. Если анализируются варианты двух
и более признаков, кодируемых двумя и более парами не сцепленных
между собой г е н о в ( р а с п о л о ж е н н ы х в р а з н ы х парах х р о м о с о м ) ,
скрещивание называется ди- и полигибридным.
Моногибридное скрещивание. П р а в и л о (или закон) единообразия.
В опытах М е н д е л я при с к р е щ и в а н и и сортов гороха, имеющих
желтые и зеленые семена, все потомство (т.е. гибриды первого поколения)
оказалось с желтыми семенами.
Обнаруженная закономерность получила название п р а в и л а единообразия гибридов первого поколения. Признак, проявляющийся в первом
поколении, получил название д о м и н а н т н о г о (лат. господствовать), не
проявляющийся, подавленный - рецессивного (лат. - отступление).
Наследственные факторы (по современной терминологии - гены)
Мендель предложил обозначать буквами латинского алфавита. Вспомним, что клетки тела диплоидны, хромосомы парны, аллельные гены
находятся в гомологичных хромосомах. Следовательно, в зиготе всегда
есть два аллеля, и г е н о т и п и ч е с к у ю формулу по л ю б о м у признаку
необходимо записывать двумя буквами. Т.е., АА, аа - гомозиготы, Аа гетерозигота. Опыты показали, что рецессивный аллель проявляется
только в гомозиготе (аа), а доминантный - и в гомо-, и в гетерозиготе
(АА, Аа).
Гены расположены в хромосомах. В результате мейоза гомологичные хромосомы (а с ними и аллельные гены) расходятся в разные
гаметы. У гомозигот, вступающих в первое скрещивание (АА х аа), оба
аллеля одинаковы, все гаметы несут один и тот же ген. Значит гомозигота
дает один тип гамет. (А - один родитель, а - второй родитель). При оплодотворении образовавшаяся зигота получит только одно сочетание генов
- Аа и все гибриды первого поколения окажутся гетерозиготными по
генотипу и с доминантным признаком - по фенотипу. При скрещивании
гомозигот, о т л и ч а ю щ и х с я друг от друга по одной паре а л ь т е р н а т и в н ы х
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
признаков, все потомство в первом гибридном поколении единообразно
по фенотипу и генотипу - закон (или правило) единообразия гибридов
первого поколения.
При скрещивании двух гетерозигот (самоопыление или близкородственое скрещивание) у каждой из них образуется по два типа гамет
- половина с геном А, половина с геном а, отсюда следует ожидать четыре
варианта оплодотворения с образованием зигот:
Многие признаки у человека как доминантные, так и рецессивные
наследуются по законам Менделя (их называют менделирующими) табл. 5.
Одни из этих признаков имеют нейтральный характер и обеспечивают полиморфизм в человеческих популяциях (цвет волос и глаз,
волнистые волосы или гладкие и др.), другие приводят к различным
патологическим состояниям. Следует иметь в виду, что доминантные
патологические признаки как у человека, так и у животных, если они
заметно снижают жизнеспособность, сразу же отметаются отбором, так
как носители их не могут оставить потомства,
Рецессивные же гены, даже снижающие жизнеспособность, могут
длительно сохраняться в гетерозиготах, передаваясь из поколения в
поколение, и проявляясь лишь у гомозигот.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 10
Менделирующие признаки человека
Рецессивные
2
Доминантные
1
Нормальные
Голубые глаза
Светлые волосы
Европеоидный разрез глаз
Прямой нос
Узкая щель между резцами или ее
отсутствие
; Крупные, выступающие вперед зубы
Обычная форма и положение зубов
"Ямочки" на щеках
Отсутствие "ямочек"
Белый локон волос
Равномерная пигментация волос
Наличие веснушек
Отсутствие веснушек
Свободная мочка уха
Приросшая мочка уха
Полные губы
Тонкие губы
Лучшее владение правой рукой
Лучшее владение левой рукой
Положительный резус-фактор
Отрицательный резус-фактор
Ощущение вкуса фенилтиокарбамида
Неспособность ощутить вкус ФТК
(ФТК)
Патологические
i Карликовая хондродистрофия
Нормальное развитие скелета
Полидактилия (шестипалость)
Нормальное строение конечностей
Брахидактилия(короткопалость)
Нормальное строение конечностей
Нормальная свертываемость крови
Гемофилия (пониженная
свертываемость крови)
Полипоз толстой кишки
Отсутствие полипоза
Нормальное светоощущение
Дальтонизм (нарушение
световосприятия)
:
Наличие пигмента в клетках кожи,
Альбинизм (отсутствие пигмента)
радужке, волосах
Нормальное усвоение фенилаланина
Фенилкетонурия
Нормальное усвоение лактозы
Галактоземия
Нормальное усвоение фруктозы
Фруктозурия
Нормальное строение молекулы
Серповидно-клеточная анемия
гемоглобина
Карие глаза
Темные волосы
"Монголоидный" разрез глаз
! Нос с горбинкой
Широкая щель между резцами
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Полигибридное скрещивание. Дигибридное скрещивание как вариант
полигибридного.
П р и полигибридно»м с к р е щ и в а н и и р о д и т е л ь с к и е о р г а н и з м ы
анализируются по нескольким признакам. Примером полигибридного
скрещивания является дигибридное, при котором у родительских организмов принимаются во внимание отличия по двум парам признаков.
Первое поколение гибридов оказывается однородным по правилу единообразия, независимо от распределения признаков между родителями (см.
схему).
_ Г О М О з И Г О Т Ь 1 п о обеим парам
генов
^
- дают по одному типу гамет
- дигетерозиготы по
генотипу (100%)
Изучая расщепление во втором гибридном поколении, Мендель
обнаружил наследование признаков независимо д р у г от друга. Эта
закономерность известна как п р а в и л о независимого к о м б и н и р о в а н и я
признаков, формирующихся двумя парами альтернативных генов, когда
в о в т о р о м г и б р и д н о м п о к о л е н и и (F 2 ) н а б л ю д а е т с я н е з а в и с и м о е
наследование и комбинирование признаков, если гены, определяющие их,
расположены в различных парах гомологичных хромосом (между собой
не сцеплены). Это возможно, так как при мейозе хромосомы разных пар
в процессе 1-го деления расходятся в гаметы с л у ч а й н ы м образом,
независимо одна пара от другой, и образуя разные варианты сочетаний
в гаметах.
Так, если у человека:
А - кареглазость;
а - голубоглазость;
В - праворукость;
в - леворукость.
Р ?АаВв х
АаВв - дигетерозиготы; дают по 4 типа гамет (табл. 6).
Таблица 6
Решетка Пеннета
и
- гаметы
т^"
о*
АВ
Ав
аВ
ав
АВ
ААВВ к.п.
ААВв к.п.
АаВВ к.п.
; АаВв к.п.
Ав
ААВв к.п.
ААвв к.л.
АаВв к.п.
Аавв к.л.
75
аВ
АаВВ к.п.
АаВв к.п,
ааВВ г.п.
ааВв т.п.
ав
АаВв к.п.
Аавв к.л.
ааВв г.п.
аавв г.л.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Анализ фенотипов в решетке Пеннета (табл. 6,) показал, что из 16
вариантов комбинаций при 4-х типах гамет у каждого из родителей в 9
вариантах проявятся оба доминантных признака (кареглазые правши),
в 3-х - первый доминантный, т.е. А?вв (кареглазые левши), в 3-х - первый
рецессивный, второй доминантный, т.е. ааВ? (голубоглазые правши), и
в 1-м - оба рецессивные, т.е. аавв (голубоглазые левши). Произошло
расщепление по фенотипу в отношении 9:3:3:1. При этом появились
новые фенотипы - голубоглазые правши и кареглазые левши - таких
сочетаний не было у родителей. Появление новых фенотипов и является
подтверждением закона (или правила) независимого наследования, т.е.
гены р а з н ы х п а р хромосом попадают в половые к л е т к и с л у ч а й н ы м
образом, комбинируясь независимо друг от друга, что создает возможность
комбинативной изменчивости.
2. Однако исследователи зачастую сталкивались с отклонениями от
о ж и д а е м ы х результатов. Так, при скрещивании желтых м ы ш е й (А)
расщепление шло в соотношении 2:1, желтых с черными (а) - 1:1, черных
с ч е р н ы м и - все черные. Анализ всех т и п о в данного скрещивания
позволил предположить, что действие доминантного гена А может
реализоваться только в гетерозиготном состоянии, а гомозиготные особи
АА гибнут еще в эмбриональном состоянии - отсюда и расщепление 2:1.
Подобный тип наследования характерен для серых каракульских
овец, п л а т и н о в ы х лис и связан с л е т а л ь н ы м д е й с т в и е м гена. Не
исключено, что подобным проявлением могут обладать и некоторые
гены человека.
Выясняя п р и ч и н ы в ы ш е о п и с а н н ы х о т к л о н е н и й от ожидаемого
р а с щ е п л е н и я , у ч е н ы е п р и ш л и к в ы в о д у , что в д а н н о м случае
наследование идет по д р у г о м у т и п у - ген желтой окраски у мышей
о б у с л о в л и в а е т еще и с к л о н н о с т ь к о ж и р е н и ю , п о н и ж е н н у ю
плодовитость, а в гомозиготном состоянии - нежизнеспособность. У овец
ген желтой окраски, являясь д о м и н а н т н ы м по цвету, обусловливает
недоразвитие рубца (ягнята могут пить только молоко), у кошек ген
голубоглазости обусловливает глухоту, у человека известен синдром
Марфана - "паучьи пальцы", недоразвитие хрусталика, пороки сердца в
1/3 - 1/2 случаев.
Ген - модификатор, обусловливая проявление одного признака,
косвенно изменяет и проявление других.
Зависимость нескольких признаков от одного гена - плейотропия.
Таким образом, действие гена может проявиться как в отношении
одного признака (монотропия), так и в отношении нескольких признаков
(плейтропия), в формировании которых он участвует. Обнаружить такое
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
действие гена можно лишь тогда, когда он встречается в альтернативных
аллельных формах. В целом же развитие любых признаков у организмов
является следствием сложных взаимодействий между генами.
Взаимодействие между генами может быть представлено в виде
следующей схемы:
Полное доминирование - горох (желтый, зеленый).
Неполное - миралибис (ночная фиалка), у которой гибриды имеют
розовые цветки, а родители - красные и белые; серповидноклеточная
анемия у человека.
Сверхдоминирование - усиление действия доминантного аллеля в
гетерозиготном состоянии (у дрозофил аа - летальная мутация, Аа более
жизнеспособны, чем АА).
К о д о м и н и р о в а н и е - проявление в г е т е р о з и г о т н о м состоянии
признаков, кодируемых обоими генами. У человека при наследовании
группы к р о в и п р о я в л я ю т с я к о д о м и н и р о в а н и е и м н о ж е с т в е н н ы й
аллелизм. Н о р м а л ь н ы й аллель может мутировать, возникает серия
аллелей данного гена - множественный аллелизм: I - J°J°; II - JAJ°, JAJA;
Ш - JBJ°, J" J"; IY - JAJB - кодоминирование. У людей известно три аллеля
гена А и три аллеля гена В.
Эпистаз - взаимодействие двух генов из разных пар аллелей, при
котором д о м и н а н т н ы й аллель одной п а р ы п о д а в л я е т д е й с т в и е
доминантного аллеля другой пары.
С - наличие пигмента у кур.
J - подавляет его действие (супрессор).
J?C? - белые куры, jjCC и jjCc - окрашенные, jjcc - белые.
К о м п л е м е н т а р н о с т ь - з а в и с и м о с т ь п р о я в л е н и я признака от
взаимодействия двух или более неаллельных генов, каждый из которых
не имеет, самостоятельного проявления, а контролирует одно из звеньев
последовательной цепи биохимических реакций. Контролируемый ими
признак проявляется только в присутствии всех доминантных аллелей.
Аавв - розовидный гребень у кур.
ааВВ - гороховидный.
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
АаВв - ореховидный - комплементарность (два доминантных гена в
разных аллельных парах - третий признак).
аавв - листовидный.
Полигенная наследственность, или полимерия, зависимость одного
признака от в з а и м о д е й с т в и я н е с к о л ь к и х н е а л л е л ь н ы х генов,
д е й с т в у ю щ и х в о д н о м н а п р а в л е н и и . О к р а с к а .зерен у п ш е н и ц ы ,
негроидность у человека, рост у человека. (AJAJAJAJ, А ^ А ^ , А. А,А2а2
- высокий, A j A ^ a j , а,а,А 2 А 2 - средний, а ^ а а 2 - маленький).
При п о л и г и б р и д н о м с к р е щ и в а н и и н а с л е д о в а н и е п р и з н а к о в
подчиняется законам Менделя при условии, что аллели, определяющие
развитие разных признаков, расположены в разных парах хромосом.
Законы М е н д е л я справедливы также и т о л ь к о тогда, когда между
разными генами в полигибридном скрещивании нет взаимодействия
(комплементарное™ или эпистаза).
3. Если же гены, определяющие развитие разных признаков, лежат
в одной х р о м о с о м е , их рассматривают как одну группу сцеплений
(Морган, 1911). Законы Менделя здесь неприменимы. Число групп
сцепления для любого нормального организма равно гаплоидному числу
хромосом в его п о л о в ы х клетках. Экспериментальное исследование
явления с ц е п л е н и я признаков легло в основу х р о м о с о м н о й теории
наследственности (Морган, 1910-1916).
Основные ее положения:
1) гены лежат в хромосомах, и набор их для каждой хромосомы
уникален, различные хромосомы содержат неодинаковое количество
генов;
2) аллельные гены расположены в определенных и идентичных
локусах гомологичных хромосом;
3) в х р о м о с о м е гены р а с п о л о ж е н ы л и н е й н о в о п р е д е л е н н о й
последовательности;
4) гены одной хромосомы образуют группу сцепления;
5) каждый б и о л о г и ч е с к и й вид характеризуется своим набором
хромосом - кариотипом;
6) п р е е м с т в е н н о с т ь свойств о р г а н и з м о в в ряду п о к о л е н и й
определяется преемственностью хромосом.
Хромосомная теория наследственности впервые обоснована
Т.Бовери (1902-1907) и У.Сеттоном (1902-1903). Детально разработана
Т.Х.Морганом с сотр. в начале XX века и нашла подтверждение при
определении генетического механизма определения пола у животных, в
основе которого лежит распределение половых хромосом в процессе
мейоза у самок дрозофилы, сопровождающееся изменениями в наследовании признаков, сцепленных с полом, т.е. получила подтверждение в
хромосомной теории наследственности.
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
П о з ж е л и н е й н ы е карты х р о м о с о м были с о с т а в л е н ы для р я д а
животных (мышей, кур, дрозофил и др.), растений (кукурузы, томатов и
др.), бактерий и вирусов. В связи с развитием методов генетики соматических клеток стало возможным составление хромосомных карт человека, которые разрабатываются и сейчас.
Морганом было доказано, что гомологичные хромосомы в мейозе
могут обмениваться своими участками (блоками генов) - кроссинговер.
Таким образом, сцепление генов не абсолютно. В эволюционном плане
мутации и рекомбинации в результате кроссинговера имеют большое
значение, увеличивая возможности комбинативной изменчивости, когда
отбор по отдельным признакам (генам) позволяет отсеивать нежизнеспособные (летальные) аллели.
В 1957 г. американский генетик Бензер открыл на основе способности гена к кроссинговеру и точечным мутациям явление дискретности
(делимости) гена. Позже открытие эффекта положения гена (зависимость
проявления гена от расположения его в хромосоме) позволило сформулировать один из важнейших принципов генетики о дискретности и непрерывности генетического материала. Т.е., являясь дискрет-ной (делимой)
единицей как единица наследственной информации, функ-ционально ген
неделим.
Среди множества острых проблем науки о спорте особенно актуальными становятся проблемы спортивного отбора, включающие социально-экономические и морально-этические аспекты. Не всегда затраты
государства на воспитание с п о р т с м е н а экстра-класса о к а з ы в а ю т с я
адекватными его результатам в силу различных причин. Возникает проблема научно обоснованного прогнозирования в спорте, т.е. сочетания
морфофункциональных, психологических и технико-тактических
возможностей спортсмена и предъявляемых ему требований спортивной
практики.
М о р ф о ф у н к ц и о н а л ь н ы й статус с п о р т с м е н а как и н д и в и д у у м а
слагается из н а с л е д с т в е н н о о б у с л о в л е н н ы х и п р и о б р е т е н н ы х п о д
влиянием условий среды составляющих. Развитие способностей в онтогенезе наследственно обусловлено нормой реакции организма на внешние воздействия. Отсюда вытекает необходимость наиболее раннего
выявления потенциальных в о з м о ж н о с т е й о р г а н и з м а и их целенаправленного развития в процессе освоения тренировочных программ.
Известно, что наибольший эффект развития двигательных качеств проявляется в период естественного роста человека, поэтому особую важность
приобретает именно ранний спортивный отбор. Отбор по соматотипу,
по реакции на физические нагрузки и другим критериям позволяет
предсказать пригодность индивидада к занятиям определенными видами
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
спорта. Достоверность прогноза их в таком отборе зависит от степени
наследственной о б у с л о в л е н н о с т и критериев, многие из которых в
значительной степени подвержены модифицирующему влиянию внешней
среды.
То есть, р е ш а я з а д а ч и поиска путей и с п о с о б о в п о в ы ш е н и я
работоспособности с п о р т с м е н а , нужно иметь в виду причастность
генетических программ к структурному и метаболическому обеспечению
адаптивного уровня функционирования организма в разные возрастные
периоды (А.К.Москатова, 1984; Б.А.Никитюк, В.И.Филипов, 1989).
Исходя из с к а з а н н о г о , понятна н е о б х о д и м о с т ь з н а н и я и
использования методов генетики в практике отбора в спорте, а также
учета возрастных адаптационных возможностей организма как базы для
развития спортивных способностей. Именно спортивная деятельность
как мощный фактор развития и совершенствования физиологических
функций организма дает благодатный материал для исследования
закономерностей наследственности и изменчивости применительно к
этим функциям.
Л е к ц и я 9. Г Е Н Е Т И К А Ч Е Л О В Е К А
1. Человек как специфический объект генетического анализа.
2. Основные методы изучения наследственности человека.
3. Генные и хромосомные болезни. Значение генетики для медицины.
L Генетический анализ человека затруднен из-за длительности его
репродуктивного периода, малочисленности потомства, невозможности
экспериментальных браков и стандартизации среды, большого числа
хромосом. Фенотип человека подробно изучен биохимиками, морфологами, физиологами ,и это помогает изучению его наследственности.
Медицинская генетика изучает роль наследственности и среды в
р а з в и т и и н о р м а л ь н ы х и п а т о л о г и ч е с к и х п р и з н а к о в у человека,
спортивная генетика изучает закономерности наследования спортивных
з а д а т к о в и в о з м о ж н о с т и п р о г н о з и р о в а н и я с п о р т и в н ы х успехов.
Необходимость изучения генетики человека вытекает из возрастания
количества наследственных заболеваний (более 3000).
Наследственное заболевание - аномалия развития, систематически
повторяющаяся среди ближних родственников в ряду поколений.
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наследственные заболевания могут быть:
Только с конца XIX века закладывается фундамент генетики человека. Но еще в 1750 г. Мопертюи ив 1814 г. Адаме описали наследование
им некоторых признаков.
В 1875 г. Гальтон предложил близнецовый метод для разграничения
роли наследственности и среды в развитии признаков у человека. Этот
метод особенно широко применяется с 20-30-х гг. XX в.
В 1908 г. Гаррод впервые описал наследственные болезни обмена.
Харди и Вайнберг независимо друг от друга формулируют закон частот
генов в популяциях.
В 1932-37 гг. в СССР функционирует Медико-генетический институт
(С.Г.Левит), где цитогенетики изучали близнецов, болезни с наследственной предрасположенностью, роль наследственности и среды в развитии болезней. Большое значение для клинической генетики имели работы
С.Н.Давиденкова по полиморфизму наследственных болезней нервной
системы.
Развитие евгеники в определенное время скомпрометировало генетику (фашизм: "Борьба за чистоту расы"). Большое число прогрессивных
генетиков отвергли и ее, и социал-дарвинизм.
В 50-е гг. возникла новая волна исследований в генетике человека в
связи с развитием радиационной генетики.
В 1956 г. установлено точное число хромосом, а в 1959 г. открыты
хромосомные болезни - разрабатываются проблемы цитогенетики
человека.
Общая генетика человека изучает группы сцепления, локализацию
генов в хромосоме, тонкое строение генов, наследование нормальных
признаков, роль среды и наследственности в развитии признаков.
Известны 24 группы сцепления, изучаются менделирующие признаки
у человека (1975 г. - 2300 признаков). Изучается мутационный процесс у
человека на генном, хромосомном, геномном уровнях.
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Биохимическая генетика методами электрофореза и хроматографии
изучает аномальные белки.
Установлен наследственный полиморфизм человека: 200 вариантов
гемоглобина, 100 вариантов глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Разрабатываются методы экспресс-диагностики наследственных болезней и
пренатальной диагностики. Считают, что все наследственные болезни
обусловлены мутациями структурных генов (регуляторных - не доказано)
И м м у н о г е н е т и к а ( с а м о с т о я т е л ь н ы й раздел) р е ш а е т вопросы
переливания крови, пересадки органов, диагностики иммунодефицитных
состояний.
Цитогенетика - изучает хромосомы методами световой, электронной микроскопии с окраской хромосом, авторадиографии, флюоресценции, гибридизации нуклеиновых кислот, что помогло открытию хромосомных болезней человека.
Клиническая генетика изучает наследственные болезни.
Фармакогенетика изучает наследственно обусловленные реакции на
лекарственные средства.
П о п у л я ц и о н н а я генетика изучает в популяциях людей аспекты
расообразования, процессы возникновения и сохранения мутаций и др.
"Важнейшая задача популяционной генетики - "инвентаризация"
генофонда человека" (А.С.Серебровский).
2. Методы генетики человека:
Б л и з н е ц о в ы й метод - позволяет выявить роль генотипа и среды в
проявлении признака. Проводится в три этапа.
1. О б с л е д у ю т с я м о н о з и г о т н ы е (из одной з и г о т ы ) близнецы и
устанавливается процент к о н к о р д а н т н о с т и - сходства по данному
признаку.
2. Обследуются дизиготные близнецы (из разных яйцеклеток) и устанавливается процент конкордантности.
3. Сравниваются эти проценты и устанавливается характер заболевания (наследственное заболевание или из-за влияния неблагоприятных
факторов среды).
Пример: I. Эндемический зоб (увеличение щитовидной железы) у
монозиготных - 5% конкордантности, у дизиготных близнецов 63%.
Значит это заболевание вызвано условиями среды (недостаток йода в
воде и пище).
2. Шизофрения у монозиготных - 78%, у дизиготных - 3%. Значит,
это заболевание наследственно обусловленное. % дисконкордантности
- это % различий по этому признаку.
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Цитогенетический метод - для диагностики хромосомных заболеваний, в свою очередь включает методы:
а) кариотипирования (кариотип на метафазной пластинке) - так
выявляются I, 2, 3, 9, 16 и Y хромосомы;
б) кариотипирования метафазных хромосом, но со специальными
красителями (выявляются все хромосомы).
Оба метода используют при рождений детей с многочисленными
уродствами, при спонтанных абортах;
в) определение полового хроматина (X, Y) для диагностики наследственных заболеваний, связанных с нарушением числа половых хромосом.
Половой хроматин - уо*светится длинное плечо у-хромосомы, у ф выявляется тельце Барра (х-хромосома). Проводится диагностика на
букальной пробе (соскоб с внутренней стенки щеки) или при амниоцентезе (прокол плодного пузыря).
Половой хроматин определяют:
1) у детей с неясным полом;
2) у женщин с бесплодием;
3) у мужчин с бесплодием;
4) у детей-инвалидов с умственной отсталостью.
Амниоцентез - диагностика наследственных дефектов на эмбриональных стадиях развития (проводится биохимический анализ и все три
вида цитогенетики).
Если в ы я в л я е т с я н а р у ш е н и е к а р и о т и п а по с о м а т и ч е с к и м или
половым хромосомам, необходимо прерывание беременности.
Этим методом выявляются хромосомные заболевания, наследственные болезни обмена, несовместимость матери и плода по антителам.
Биохимические методы позволяют устанавливать болезни обмена
гетерозигот-носителей.
Дерматоглифика - вспомогательный метод, позволяет по характеру
ладонных линий судить о наличии или отсутствии наследственных
заболеваний и умственной отсталости ("обезьянья борозда" при болезни
Дауна - посередине ладони проходит одна прямая борозда).
Иммуногенетический - генетика несовместимости тканей при пересадках, групп крови матери и плода при беременности.
Метод моделирования на животных иди математических моделях.
Используются обезьяны, крысы, мыши, кролики, собаки, кошки, птицы.
Ок. 300 тыс. болезней смоделировано на животных.
П о п у л я ц и о н н о - с т а т и с т и ч е с к и й метод позволяет устанавливать
статистические соотношения между аллелями в популяции, сдвиги в генетическом строении популяции, соотношение аллелей в пределах одного
поколения (закон Харди-Вайнберга).
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Метод генеалогического анализа позволяет установить:
а) тип наследования и степень выраженности патологии гена;
б) характер заболевания;
в) механизм взаимодействия генов;
г) степень риска;
д) интенсивность мутационного процесса.
Современные данные генетики показывают, что для социального
прогресса человека нет никаких ограничений со стороны его наследственности. Генетический полиморфизм человечества не дает никаких
преимуществ одних людей перед другими (например, на уровне рас).
Генетика человека отвергает любые евгенические вмешательства в
наследственность человека с целью улучшения его природы.
3. Большое значение для охраны здоровья человека имеет зашита
его от мутагенных факторов среды. Известно около 200 форм наследственных болезней, большинство из которых спровоцировано ими.
Механизмы генных наследственных болезней - это изменение аминокислотного, липидного, углеводного, пуринового обменов.
П р и м е р ы наследственно обусловленных заболеваний
а). Серповидно-клеточная анемия (S-анемия) проявляется, когда
гемоглобин больного кристаллизуется в эритроцитах (увеличиваются
печень, селезенка, развиваются дефекты костей черепа). У здорового
человека гемоглобин А состоит из 300 аминокислот и у больного он тоже
из 300 аминокислот, но вместо глутаминовой кислоты в него входит
валин; болезнь н а с л е д у е т с я по а у т о с о м н о - р е ц е с с и в н о м у типу. Как
правило, заболевание характерно для стран, где распространена малярия.
б). Фенилкетонурия-деменция (слабоумие) - больные погибают до
25-30 лет. Причина - нет фермента, переводящего аминокислоту фенилаланин в тирозин, и фенилаланин накапливается в моче. В роддоме наносят с п е ц и а л ь н ы й р е а к т и в на пеленку н о в о р о ж д е н н о г о . Если есть
сиреневое пятно, значит в моче есть эта аминокислота, т.е., она не усваивается в организме. Больной малыш лишается молока матери и перево84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дится сразу на овощную диету - питание без фенилаланина до 3-4 лет.
Дальше развитие ребенка идет нормально, но ген может проявить себя
в следующем поколении. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
в). Гликогеноз (десять клинических форм), гликоген не расщепляется
до конца и откладывается в тканях легкого и даже в нервных клетках.
Причина: нет фермента кислой а-глюкозидазы.
Генетические заболевания
а) Нарушен маленький фрагмент ДНК
^другая и РНК
другой
"чужой" белок (S-анемия).
б). Нарушен большой участок ДНК - иРНК не образуется, значит
и белок не образуется (гликогеноз, фенилкетонурия).
Молекулярные болезни
В основе лежат генные мутации, а нарушается микромолекулярная
структура ДНК. Диагностика - по клинической картине биохимическими,
иммуногенетическими методами.
Хромосомные болезни
Известны с 1959 г., описано уже больше 300. В основе их лежат
геномные и хромосомные мутации.
Хромосомные болезни, связанные с изменением числа хромосом
I). Изменение количества половых хромосом:
а). XXX - у женщин интеллект нарушен, в 70% случаев нетучные,
часто б е с п л о д н ы , и н о г д а имеют детей. В п о в е д е н и и о т м е ч а е т с я
примитивность, эгоцентричность. В медико-генетическую консультацию
часто попадают по направлению психиатра.
б). 45 хромосом (Х0 - от отца 0) - синдром Шерешевского-Тернера.
Единственная аномалия, совместимая с жизнью. Фенотип женский,
интеллект нормальный, но отмечается "детскость"; на шее крыловидные
складки. Такие дети должны жить в семье. После проведения лечения
гормональными препаратами грудные железы развиваются нормально,
появляются менструации, но бесплодны из-за недоразвития яичников.
в). 47 хромосом (ХХУ - две XX от матери). Среди больных мужчин
50% с нарушениями интеллекта.
г). Синдром Кляйнфельтера - генотип ХУУ, фенотип мужской. При
рождении обычно не выявляется, т.е. не проводится изучение половых
хромосом. Проявляется позже, когда обнаруживается задержка развития
вторичных половых признаков.
Такие дети обладают слабым характером. Сами они воровать не
пойдут, но их легко втянуть в любую компанию. Такие больные часто
совершают н е м о т и в и р о в а н н ы е преступления. Родители должны как
можно больше заниматься с таким ребенком, знать всех его друзей.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Больные с синдромом Кляйнфельтера могут вступать в брак, но они не
имеют детей.
Предполагают, что генотип ХУУ встречается чаще, чем его выявляют.
д). УО - если в яйцеклетке не было Х-хромосомы. Летальная мутация.
2). Изменение количества аутосом также приводит к нарушению
развития и болезням:
- трисомия по 13 паре - синдром Патау;
- трисомия по 21 паре - болезнь Дауна - полулетальный;
- трисомия по 16 паре - болезнь Эдвардса.
Аборты и воспаления приводят к синдрому Дауна.
94-95% детей с синдромом Дауна имеют обычную трисомию.
1-5% - мозаики. Возникают повторно, когда одна из хромосом 21-й
пары теряется при митозах. При этом часть клеток нормальные.
2% - транслокации на 14-ю или 22-ю пару.
Установлено, что при утрате дистального плеча 21-й хромосомы
случаев болезни Дауна мало.
П р и м е р : у матери 46 х р о м о с о м , п р о к с и м а л ь н а я часть 21-й
х р о м о с о м ы была т р а н с л о ц и р о в а н а . Ребенку была п е р е д а н а 14-я
хромосома с кусочком 21-й . Ребенок (девочка) родился с синдромом
Дауна (мозаик). Отставание в развитии речи, но училась нормально.
Дети с полной трисомией не могут учиться даже во вспомогательной
школе. Если болезнь регистрируется сразу в роддоме, то родители
отказываются от ребенка (их готовят к этому), и ребенок воспитывается
в специальном д е т д о м е . Такие дети никогда не будут психически
нормальными.
При синдроме Дауна снижены защитные силы организма. Часто
диагностируется врожденный порок сердца. Часто (но далеко не всегда!)
на ладони обнаруживаются поперечные линии - "обезьянья борозда".
Практически во всех случаях - общая мышечная гипотония.
При осмотре ребенка в медико-генетической консультации необходимо обращать внимание, есть ли те или иные признаки и у родителей.
Нельзя делать заключение, исходя только из одного признака, необходимо учитывать их комплекс. Если у родителей кариотип нормальный,
а ребенок родился с трисомией по 21-й паре хромосом, надо очень
осторожно поговорить с матерью. Возможно, имела место супружеская
измена. В этом случае следующий ребенок, вероятно, будет нормален.
Иногда утерянная хромосома может присоединиться к какой-либо
другой хромосоме. Формально в этом случае имеется 45 хромосом, но
фактически - 46. Такие дети фенотипически здоровы.
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Бывают транслокации с одной хромосомы 21-й пары на другую той
же пары (21 на 21). В этих случаях, либо спонтанные аборты, либо
рождение ребенка с синдромом Дауна (100% вероятность). Если такая
транслокация (с 21-й на 21-ю) выявлена у мужчины, женщина может
обратиться в центр по бесплодию, где будет произведено оплодотворение
донорской спермой.
Синдром Патау - трисомия по13-й паре хромосом. 1:14500 (больше,
чем Дауна). У таких больных 47 хромосом, редко - 46 с транслокацией
13-й на 14-ю. Микроцефалия до анацефалии, микрофтальмия, расщепление неба, пороки почек. В случае рождения такого ребенка нужно произвести кариотипирование родителей, чтобы исключить повторное рождение больного ребенка. Такие дети живут до года или гибнут в утробе.
Синдром Эдвардсона (1:4500) - трисомия по 18-й паре хромосом.
Дети рождаются нормальной доношенности, но незрелые. Наблюдается
задержка роста, маленькое лицо, низкие уродливые уши, узкий череп,
пороки сердца, почек. Таких детей необходимо тщательно обследовать.
Они рождаются живыми, но гибнут до 2-х месяцев.
Трисомия по 22-й паре хромосом встречается очень редко. Такие
дети быстро погибают.
Трисомия по 8-й паре хромосом. Отмечается удлиненное туловище,
узкий таз. Родители часто находят такие же признаки у себя и не обращаются к врачу. В н е ш н е такое нарушение обычно не проявляется.
Например, трисомия по 8-й паре была выявлена при обследовании физически и психически нормального человека, обратившегося по поводу
бесплодия.
Делеция, транслокация - около 40% новорожденных - микроцефалы,
мертворожденные, спонтанные аборты.
Филадельфийская хромосома: деления центромеры 21-й хромосомы
— укорочение среднего плеча — белокровие.
Изменения в кариотипе видимы под микроскопом.
В настоящее время по статистике ВОЗ, 60% новорожденных несут
наследственную патологию. Причина - мутагены. Поиски лечения наследственных заболеваний связаны с генной инженерией. На разных
уровнях (органном, клеточной, генном).
Генная и н ж е н е р и я з а н и м а е т с я заменой м у т и р о в а в ш и х генов
здоровыми и вставкой новых или недостающих генов.
Условия осуществления генной инженерии:
- наличие клеток донора иг реципиента;
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- получение генного материала, способы получения:
а) синтетический (гены),
б) биологический (гены дают сами клетки реципиента),
в) ферментный (материал клетки извлекается ферментами);
- введение фрагмента ДНК реципиенту.
Опасности:
- создавая г и б р и д н ы е молекулы, не всегда м о ж н о предвидеть
результат;
- созданы микроорганизмы с большой вирулентностью;
- созданы микроорганизмы, устойчивые к антибиотикам;
- создан ген ботулизма.
Л е ч и т ь н а с л е д с т в е н н ы е з а б о л е в а н и я трудно, но о с у щ е с т в и т ь
профилактические меры можно - решению вопросов профилактики
наследственных болезней помогает медико-генетическая консультация,
но рекомендации в отношении прогноза потомства или заключения
брака д о л ж н ы и с х о д и т ь из п р и з н а н и я права р е ш е н и я за с а м и м
консультируемым, а не врачом.
Составляется генетический прогноз, исходя из трех моментов:
- определение степени генетического риска;
- оценка тяжести медицинских и социальных последствий данной
аномалии;
- перспектива применения и эффективность методов пренатальной
диагностики. Нужна сеть таких консультаций. Вот тут и применяются методы генетического анализа.
Проводится диагностика носительства матерями больных детей,
прогноз их рождения для родителей с аномалиями из-за кровнородственных браков, если матери - старые первородки - 1-2%.
В системе диагностических, клинико-генетических мероприятий
вполне оправданным является сотрудничество генетиков с врачами
других специальностей - педиатрами, невропатологами и другими.
Медико-генетическая консультация - своеобразная форма реализации научных достижений генетики в практическую медицину.
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лекция 10. В З А И М О О Т Н О Ш Е Н И Я О Р Г А Н И З М А И С Р Е Д Ы
1. Основные понятия экологии, предмет, задачи.
2. Экологические системы. Взаимосвязь в экосистемах:
а. Особенности структуры экосистем.
б. Трофические структуры сообщества.
в. Принципы конкурентного вытеснения.
г. Биотические связи в экосистеме.
д. Проблемы реакции экосистем на загрязнение.
Экология - (греч. ojkos - дом, жилище Э.Геккель, 1886г.), т.е. - это
наука, изучающая взаимоотношения организмов с окружающей средой.
1. Предмет экологии - системы разного уровня: глобальные, региональные, локальные, компонентами которых нередко являются и сообщества людей.
Согласно определения Геккеля, экология - наука об экономии,
домашнем быте животных организмов, их отношении к органической
и неорганической среде, их дружественных и враждебных отношениях
к другим растениям и животным в силу прямых и непрямых контактов все запутанные отношения, называемые Дарвиным "борьбой за существование".
Совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой
может осуществляться круговорот веществ, называют э к о с и с т е м о й
(А.Тенсли, 1935г.).
Основной предмет исследования биологической экологии рассмотрение потоков энергии и пищевых связей, круговорот веществ
в экосистемах, разных по уровню организации:
Организм—•популяция —•сообщество —•экосистема—•биосфера
(самая большая)
Благодаря жизнедеятельности организмов в биосфере идет миграция
элементов, н а к о п л е н и е солнечной э н е р г и и и другие процессы,
поддерживающие ее динамическое равновесие.
Биосфера находится во взаимодействии с явлениями и процессами,
происходящими в космосе, и в недрах Земли (вулканы, землетрясения,
естественное радиоактивное излучение, вариации геомагнитного поля и
т.д.).
Сложны взаимодействия человека и биосферы.
В настоящее время формируется глобальная экология - исследует
комплексное влияние на биосферу антропогенных, космических, геофизических и других воздействий.
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Структура науки.
Среди е с т е с т в е н н ы х наук экология в п е р в ы е включает в свое
содержание интересы человека, вопросы улучшения условий его жизни.
Важнейшей основой экологии является системное познание, возможность представления связей живых организмов (в т.ч. человека и общества) как обменных процессов открытой системы со средой. Отсюда и
ключевые понятия, раскрывающие особенности экосистем: экологическое взаимодействие, экологическое противодействие, экологическое
развитие, экологическая устойчивость.
В настоящее время экология стала комплексной социоестественной
наукой, в предмет которой вовлечены все стороны жизнедеятельности
человека.
Владея экологическими знаниями, человек:
1) меняет свое представление о порядке в земной природе;
2) начинает п о н и м а т ь необходимость этого порядка для своего
существования.
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Положение человека в биосфере двояко:
1) как биологический вид — он часть экосистем планеты;
2) создавая свою социокультурную среду обитания, он изымает из
природы ресурсы, раньше не потребляемые ни одним живым существом,
возвращая в природу массу чуждых ей отходов - пластик, металл, стройматериалы.
Отсюда загрязнение среды, истощение невозобновляемых природных ресурсов, нарушение устойчивости биосферы, ухудшение здоровья
и качества жизни людей.
В 1992 г. ООН проводила конференцию по окружающей среде. 179
государств приняли "Повестку дня на XXI век" - всемирный план
действий, включающий переход человечества на путь устойчивого
развития, на достижение гармонии между природой и обществом.
Г л а в н а я задача плана - 1) уменьшить расточительное потребление,
2) о б е с п е ч и т ь п р о с в е щ е н и е по в о п р о с а м р а з в и т и я и с о х р а н е н и я
окружающей среды для людей всех возрастов на базе общего экологического образования.
А.Леопольд (ам.) (1887 - 1948) сравнил Землю с рекой, не имеющей
ни начала, ни конца, - "Round river".
Мы плывем по этой реке на бревнах по течению:
- причины заторов на ней - экономика;
- старые маршруты - история;
- новые маршруты - управление;
- разговоры о порогах - политика;
- изучение жизни берегов (флоры, фауны) - биология;
- ее происхождение и развитие - геология и эволюция;
- практическое использование живого - промышленность и сельское
хозяйство.
Экология же - наука о самой "Round river" - о ее биологической
навигации.
Наша "Round river" в опасности. Мы должны знать правила навигации, чтобы не нанести ей ущерба.
Человечество стоит перед необходимостью реализации безопасного
э к о н о м и ч е с к о г о развития. Для этого необходимы новые знания об
окружающей среде, новые технологии, новые формы поведения. Все это
немыслимо без изучения экологии. Экологические знания не только
объясняют неизвестные стороны действительности, но и призваны
выполнять предписывающие функции по отношению к человеческой
деятельности.
Экология отличается от классической науки, становясь как бы
"нормативным естествознанием", т.е. несет ответственность не только
за истинность результатов, но и за их применение.
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Знания традиционной науки дают возможность создать могучие
средства деятельности ( с о в р е м е н н у ю технику), но не о п р е д е л я ю т
насколько разумна, оптимальна сама цель.
Новые направления экологии призваны восполнить этот пробел.
Обшая задача экологии - изучение образа жизни, выявление закономерной динамики численности популяций.
Основные понятия:
а) среда и ее подразделения;
б) факторы: абиотические, биотические, антропогенные;
в) группировки организмов: жизненная форма (биоформа), популяция, биоценоз, биом, сукцессия;
г) х а р а к т е р и с т и к а в з а и м о о т н о ш е н и й и среды ( б о р ь б а за
существование, внутривидовые, межвидовые взаимоотношения), пластичность, выживаемость, экологическая ниша, цепи питания, пирамида
чисел;
д) показатели численности организмов: встречаемость, обилие,
биомасса, продукция и т.д.
Экология изучает пути и разумность воздействия человека на природу. Связана с другими науками, изучающими онто- и филогенез.
Включает разделы: общая экология - растений, животных, микро-организмов, насекомых и т.д.; аутэкология - изучает отдельные организмы
или виды; синэкологш - экология сообществ.
Жизнь любого организма определяют факторы среды:
Биотические факторы - все формы взаимоотношений между живыми
организмами. Антропогенные факторы -взаимоотношения человека и
среды.
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. В состав биосферы как глобальной экосистемы входят природные
зоны (биомы): тропики, хвойные, лиственные леса и т.д.
Биотоп как абиотическая среда вместе с населяющими его видами биоценозом - образуют элементарную экосистему.
Термин "экосистема" ввел Артур Джон Тенсли (1871 - 1955гг.,
англ.),утверждавший, что экосистема является основной природной
единицей, для которой характерен обмен веществ не только между
организмами, но и между ними и неживой природой.
Эти особенности экосистемы вошли в ее современное определение:
экосистема - совокупность организмов и неживых компонентов их
обитания, при взаимодействии которых происходит более или менее
полный биотический круговорот веществ с участием продуцентов,
консументов и редуцентов.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а). В пределах этих экосистем функционируют системы меньшего
порядка с различным количеством видов.
Разнообразие видов в различных экосистемах
Бедные
Арктические пустыни
Безводные жаркие пустыни
Северные тундры
Загрязненные водоемы
Затапливаемые биогеоценозы
Богатые
Тропические леса
Коралловые рифы
Долины рек в аридных районах
Помимо видовой, биоценоз имеет пространственную и трофическую
структуру.
Пространственная структура биоценоза
В водоемах границы жизни определяются глубиной проникновения
лучей света (фотосинтез) и кислорода (конвекция воды).
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б). Трофическая структура сообщества определяется пищевыми
цепями, в которых происходит перенос энергии пищи от ее источника продуцентов (автотрофов) через ряд организмов путем поедания одних
другими (гетеротрофами), т.е., образующими трофические уровни.
Пищевая цепь водоема
ВОДОРОСЛИ
ВЕСЛОНОГИЕ РАЧКИ
МЕЛКИЕ РЫБЫ
ХИЩНЫЕ РЫБЫ
Любая пищевая цепь включает 5-7 звеньев (растения - лось - волк
бактерии - грибы), входит в состав экологических пирамид.
При переходе с одного трофического уровня на каждый следующий
передается примерно 10% энергии (от 5 до 19%) - "правило десяти
п р о ц е н т о в " . Э к о л о г и ч е с к и е п и р а м и д ы чисел, б и о м а с с ы , э н е р г и и
выражают количественные соотношения разных по способу питания
организмов.
в). В и д о в а я структура экосистем поддерживается межвидовой
конкуренцией по принципу Гаузе - два вида, имеющие одинаковые
п о т р е б н о с т и , ж и в у на одной т е р р и т о р и и , если з а н и м а ю т разные
экологические ниши.
Связи м е ж д у организмами в экосистеме могут быть благоприятными, неблагоприятными, чисто пищевыми или только конкурентными за территорию, т.е. самыми разнообразными.
Общая схема связей вида в экосистеме
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Близкие по родству или пищевым потребностям виды сосуществуют
в экосистеме благодаря конкурентным отношениям. Корни растений разрастаются в ширину и в глубину, поглощая больше воды и минеральных
веществ. Надземная часть растения тянется к свету. В лесу деревья отличаются от растущих на открытых пространствах. Медленно растущие
быстро вытесняются более сильными, если первые не теневыносливы.
Конкуренция тем сильней, чем ближе между собой виды, поэтому виды
с близкими экологическими потребностями обычно вместе не встречаются
Экологическая ниша - место, где живет существо, его пища, враги,
партнеры - все вместе взятое.
Таким образом, экосистема обладает целостностью, так как каждый
вид находится под воздействием благоприятных и неблагоприятных факторов, определяющих его экологическую нишу, в пределах которой возможно его осуществление. Понятие экологической ниши применимо при
исследовании взаимоотношений экологически близких видов, относящихся к одному трофическому уровню, существование которых в природных условиях подчиняется принципу конкурентного исключения.
Конкуренция - форма биотических отношений близких видов.
С о х р а н е н и ю в и д о в о г о р а з н о о б р а з и я б и о ц е н о з а способствуют
другие формы биотических отношений - хищничество, паразитизм,
комменсализм, квартиранство - они регулируют численность организмов
на разных трофических уровнях, снижая напряженность конкуренции
среди видов-жертв.
Г)
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Хищник и жертва м а к с и м а л ь н о п р и с п о с о б л е н ы д р у г к другу быстро бегать не должны ни те, ни другие. Это приводит к равновесию
тех и других. Эволюция их идет сопряжено - одни совершенствуют способы нападения, другие - защиты. Снижая напряженность конкуренции
среди жертв, х и щ н и к и с п о с о б с т в у ю т с о х р а н е н и ю и х видового
разнообразия.
"Под микроскопом он открыл, что на блохе
Живет блоху кусающая блошка;
На блошке той - блошинка-крошка,
В блошинку же вонзает зуб сердито
Блошиночка ... и так ad infinitum
(до бесконечности)".
Так шутливо отразил отношения между паразитом и хозяином
Джонатан Свифт. Паразитизм (греч. p a r a s i t e s - нахлебник, от p a r a возле, sitos - хлеб, пища) есть форма взаимоотношений двух организмов,
при которой один использует другого как среду обитания и источник
питания, нанося ему вред. Паразитизм известен от вирусов и бактерий
до в ы с ш и х р а с т е н и й и м н о г о к л е т о ч н ы х ж и в о т н ы х . М о ж е т быть
временным (кровососы), постоянным (аскариды, педикулез). Паразиты
могут быть внутренними (описторхи), наружными (клещи). Хозяин
одномоментно может быть заражен несколькими паразитами, составляя
с ними паразитоценоз.
Основная экологическая роль всех форм биотических взаимоотношений заключается в том, что последовательно питаясь друг другом,
живые организмы создают условия для круговорота веществ, без которого невозможна жизнь.
Мутуализм - взаимополезное сожительство (лишайники, азотофиксирующие бактерии, термиты, жвачные животные и кишечные бактерии).
Синойкия - полезно- нейтральное сожительство (квартиранство):
нора морского животного эхиуруса и квартиранты - бычок, краб-горошина, щетинковый червь. Актинии на раковине рака-отшельника.
Комменсализм - также полезно-нейтральное сожительство (ротовая
амеба, кишечная трихомонада и др.).
Т.о., все формы сожительства организмов в биоценозах способствуют выживанию разнообразных видов.
д) Экосистема в процессе функционирования сохраняет свою целостность и обеспечивает самоочищение. Процесс самоочищения строится
на пищевых связях: если вещество является продуктом жизнедеятельности
одного организма, обязательно найдется другой, способный его утилизировать. В водоемах всегда есть организмы - фильтраторы (мелкие ракообразные, моллюски, многощетинковые черви).
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Самоочищению водоема способствует и перемещение слоев воды в
водоеме. Уникальная способность воды сохранять наибольшую плотность при температуре +4°С способствует ее перемешиванию и зимой,
и летом, что и приводит к самоочищению.
Естественное самоочищение подвергается опасности в результате
загрязнения среды. До какого-то момента экосистема справляется с загрязнением своими силами. Из истоков, поступающих с берегов, удобрения и соли металлов усваиваются водными растениями, фитопланктоном. Фитопланктон поедают зоопланктонные организмы; органические вещества и мелкие живые организмы отфильтровываются моллюсками; органические остатки и детрит также поедаются моллюсками; все
остальное разлагается микроорганизмами.
Однако естественные механизмы самоочищения нарушают разные
виды деятельности человека. Так, остатки нефтепродуктов от морских и
речных судов вызывают гибель поверхностных организмов, дышащих
а т м о с ф е р н ы м воздухом, уменьшают количество света - снижается
фотосинтез, выброшенные на берег - загрязняют и его. Загрязняется
атмосфера выхлопными газами и т.д.
Экосистема обладает уникальным свойством самоочищения переработки отходов через включение их в пищевые связи. Самоочищение происходит и под воздействием абиотических факторов: температуры, света, влажности. Однако, эта способность имеет свои пределы
и при антропогенном загрязнении лимитируется степенью устойчивости
к з а г р я з н я ю щ и м веществам существ, которые в дикой природе со
многими из таких веществ не встречаются. Так, морская водоросль фукус
переносит значительное загрязнение нефтепродуктами, но в допустимых
пределах, при превышении которых водоросль гибнет. От нефтяной
пленки у растения развивается г и д р о ф о б н о с т ь , растение перестает
поглощать воду, она скатывается с листьев, растение теряет влагу, не
получает новой и гибнет. Восстановить нормальное состояние среды пи
загрязнении нефтью можно. Степень восстановления от близкой к нулю
до почти полной возможна в зависимости от характера среды: типа
донных о т л о ж е н и й (глина, гравий), д е й с т в и я волн, с и л ы прилива,
температуры воды, вида растительности. В естественных условиях
очищение будет происходить либо в процессе гниения при участии
бактерий, либо при разложении в кислородной среде при помощи грибов,
водорослей, животных. Вмешательство человека нарушает естественный
ход событий, ставя природу либо перед необходимостью существования
на грани возможного, либо гибели.
Нарушают ход восстановления природных экосистем не только
загрязняющие вещества.
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Следы гусеничного трактора исчезают в степи уже через год, но
в тундре восстановление исходной растительности требует десятков лет.
Даже частичное вырубание деревьев в лесу изменяет среду жизни растений, нарушает жизнедеятельность и состояние оставшихся. Сплошная
же рубка резко меняет условия лесной среды на открытое местообитание.
В новых условиях должны адаптироваться совершенно другие виды
растений и животных. На многих участках нарушения, связанные с широкомосштабной вырубкой настолько велики, что затрудняют последующее лесовосстановление или делают его невозможным. Превращение
лесов в монокультурные вследствие высадки человеком одних и тех же
пород деревьев делает невозможным и существование дятлов, других
видов животных, ранее живших в смешанных лесах.
Очень тревожное явление современности - биоаккумуляция загрязнителей в пищевых цепях, в результате которого ослабляется генофонд
и видов животных, и человека.
Примеры биоаккумуляции веществ в природе (из воды)
Вещество
Тяжелые металлы
Кадмий
ДДТ
Организмы
Губки, моллюски,
водоросли
Креветки, солнечная рыба
Устрица Crassostrea
virginica
Степень аккупуляции
ХЮОО-хЮОООО
х175
х773
Х70000
Гибель животных, ослабление жизнестойкости вызывают кислотные
дожди. В норме дожди обладают слабокислой реакцией. Выбросы же
тепловых электростанций, систем отопления жилых домов, промышленных предприятий содержат соединения азота и серы, приводя к резкому
увеличению концентрации в окружающей среде кислотных ионов.
Кислотные дожди - результат самоочищения атмосферы. Крошечные капли воды облаков непрерывно захватывают взвешенные частицы
и растворимые микрозагрязнители. С дождевой водой они вымываются
из атмосферы. Диоксид серы и оксид азота образуют соединения, легко
поглощаемые каплями в облаках - серную и азотную кислоты, высокое
содержание их в д о ж д е в о й воде губительно для живого - именно
кислотные дожди опустошили европейские леса на одной пятой их
площади. Эти дожди вызывают в абиотических компонентах экосистем
ряд биохимических процессов, ослабляющих питание, продуктивность,
выживаемость живых организмов.
Загрязнение почвы оксаидами серы и азота снижает первичную
продукцию сахарной свеклы на20 - 40%.
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Не всякая э к о с и с т е м а выдерживает и р е к р е а ц и о н н ы е нагрузки
(использование в качестве мест отдыха людей). Появление человека в
лесу от незаметных изменений в виде тропинок, сломанных веточек
быстро приводит к уплотнению почвы, исчезновению лесного травостоя,
замене его травами осветленных пространств или полному исчезновению
лесной подстилки, а значит и выпадению из сообщества многих трав,
всходов новых деревьев. Реакции экосистем на массовое посещение людей
требуют, чтобы рекреационное использование ландшафта стало особой
отраслью экономики, где обязательно должна учитываться степень
сопротивляемости и упругости экосистем антропогенным воздействиям
(пример сказанному - гибель сосняков в Чернолучье и Красноярке). Т.е.,
массовое развитие туризма требует от людей знания основ поведения в
экосистемах любого вида (на берегу реки, в лесу, на горном склоне и
т.д.) во имя сохранения природы для потомков.
Л е к ц и я 11. О Р Г А Н И З М В Э К О С И С Т Е М Е
1. Организм и экологические факторы.
2. Лимитирующий фактор - закон Либиха - Шелфорда.
3. Абиотические факторы среды: свет, температура, влажность,
ионизирующее излучение.
4. Влияние организмов на окружающую среду.
5. Адаптация организмов к окружающей среде.
1. Говоря о популяции, мы давали ей определение как совокупности
организмов одного вида, населяющих ареал земной поверхности. То есть,
единицей популяции является организм.
Организм (organizo - устраиваю, придаю стройный вид) - индивидуум, живое существо, имевшее системное строение. Для такой системы
характерны:
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для о р г а н и з м а , как у р о в н я о р г а н и з а ц и и ж и в о г о , х а р а к т е р е н
комплекс признаков:
/Организм
- высокоупорядоченное строение
- получение энергии извне
- использование ее для поддержания своей упорядоченности
- активная реакция на окружавшую среду
- индивидуальное развитие
- размножение, обеспечивавшее непрерывность и преемственность
жизни
Не вид, не популяция, а именно каждый конкретный организм подвергается воздействие экологических факторов (Табл. 8). Выделяют два
уровня понятий экологического фактора.
Таблица 7
ЭКОЛОГИЯ
Верхний уровень Совокупность абиотических Совокупность биотических
понятий
факторов природы
факторов природы
Нижний уровень Отдельный абиотический
понятий
фактор природы
Отдельный биотический
фактор природы
Таблица 8
Классификация экологических факторов
Экологические факторы
Абиотические
Свет, температура, влага, ветер, воздух,
давление, течения, долгота дня и т.д.
Механический состав почвы, ее
проницаемость, влагоемкость
Содержание в почве или воде элементов
питания, газовый состав, соленость воды
Биотические
Влияние растений на других членов
1 биоценоза
Влияние животных на других членов
биоценоза
! антропогенные факторы как результат
1 деятельности человека
!
По времени
По периодичности
По очередности
Эволюционный
Исторический
Периодические
Непериодические
Первичные
Вторичные
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По среде возникновения
По происхождению
космический
абиотический (абиогенный)
биогенный
биотический
биологический
природно-антропогенный
антропогенный (в т.ч. техногенный,
загрязнение среды и др.)
атмосферный
водный (влажность)
геоморфологический
эдафический (почва)
физиологический
генетический
популяционный
биоценотический
экосистемный
биосферный
В природе все факторы действуют совместно, вычленение их человеком условно.
Таким образом, организм - реальная единица обмена веществ, существующая под влиянием экологических факторов различной природы.
2. Существование любого организма зависит от совокупности условий, а выносливость его определяется самым слабым звеном в цепи его
экологических потребностей. Так, например, при достаточно большом
содержании в почве двуокиси углерода и воды, растения будут расти
плохо, если в почве мало цинка - именно этот фактор становится лимитирующим.
З а к о н Л и б и х а : рост растений зависит от того элемента питания,
который присутствует в минимальном количестве. Однако лимитирующим может быть и избыток таких факторов, как свет, тепло, вода.
П р а в и л о Ш е л ф о р д а : присутствие организма в данном местообитании зависит от к о м п л е к с а экологических условий, к каждому из
которых у организма существуют определенные границы выносливости
- толерантности. Это минимальные и максимальные значения фактора,
за пределами которых организм не выживет. Между минимумом-максимумом лежат пределы выносливости организма - оптимум. Однако и
в пределах оптимума организм может чувствовать себя плохо, если хотя
бы один из факторов оказывается неблагоприятным, он становится лимитирующим. Так, рыба, живущая в пруду с нагретой от электро-станции
водой, тратит вся энергию на преодоление температурного стресса, а не
на добывание пищи и размножение.
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Абиотические факторы среды
Свет.
Состав лучистой энергии, достигающий Земли в ясный день
Видимый свет
Инфракрасное излучение
Ультрафиолетовое излучение
45%
45%
10%
Солнечная энергия, достигающая Земли, формирует течения, ветер,
распределение осадков - все это, в свою очередь, формирует климат. Климат,
являясь экологическим фактором, определяет влажность и тем-пературу
среды - от них зависит фотосинтез,
Свет определяет не только фотосинтез, но и сезон года, и длину светового
дня.
Фотопериодизм - реакция организмов на соотношение дня и ночи.
Таблица 9
Реакции организмов на длину светового дня
Длиннодневные
Молодило
Белена
Хлебные злаки
Короткодневные
Нейтральные
Табак
Рис, просо, соя
Конопля
Гречиха
Горох
В умеренных и полярных широтах растут длиннодневные растения
ближе к субтропикам - коротко дневные.
Чередование дня и ночи растения воспринимают листьями, в них
вырабатывается гормоны, стимулирующие цветение, плодоношение.
У животных фотопериодизм определяет начало и прекращение
брачного периода, плодовитость, линьку, наступление зимней спячки,
миграции.
Наряду с температурой и влажностью фотопериодизм является
причиной диапаузы у животных - временного физиологического покоя
зимой для обитателей северных широт, летом - южных. У каждого вида
животных диапауза приурочена к определенному периоду жизненного
цикла:
- э м б р и о н а л ь н о м у (на стадии яйца) - н и з ш и е р а к о о б р а з н ы е ,
саранчовые, грызуны, соболь, норка;
- личиночному - двукрылые, пилильщики;
- куколочному - чешуекрылые;
- имагинальному - жесткокрылые, комары, луговой мотылек.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В состоянии диапаузы насекомые, клещи становятся устойчивыми
к пестицидам, повышается их морозостойкость, стойкость к высыханию.
Свет как экологический фактор определяет и существование биоритмов у живых организмов: циркадианных (суточных), многодневных,
годовых.
Ритмичность проявляется в биоэлектрической активности мозга,
работоспособности, изменении частоты пульса, температуры тела и т.д.
Ритмы могут б ы т ь в н е ш н и м и ( р и т м и к а д в и ж е н и й з е м н о й к о р ы ) ,
сезонными (приливы, отливы, засуха, дождь), внутренними (адаптивны
к внешним), циркадианными (суточными) и др. У людей отмечают
наибольшую частоту пульса в 18ч., минимальную - в 4 ч.; максимальную
температуру тела - в 18ч., минимальную - в 24 ч; в 9 ч. - максимальное
давление крови, в 18 ч. - минимальное. В зависимости от активности
в течение суток выделяют такие типы людей, как "жаворонки" и "совы".
Температура - от нее зависят скорость и характер протекания обменных процессов в организме. Большинство из них могут существовать
в интервале т е м п е р а т у р между 0° и 50°С, однако живые существа
обнаружены и при -200°С, и при +100°. Бактерии горячих источников
живут при +88°С, цианобактерии - при +80°С. Рыбы, насекомые могут
жить в интервале +5° - +50°С.
Температура определяет количество съедаемой животным пищи:
личинка к о л о р а д с к о г о жука съедает при +Зб°С - 638 мм 2 л и с т ь е в
картофеля, при +16°С - 215 мм 2 ; при +10-13°С взрослое животное перестает питаться, при+25°С потребляет наибольшее количество пищи.
Температура влияет и на плодовитость, оптимальна -+25°С.
О р г а н и з м ы п о - р а з н о м у а д а п т и р о в а н ы к т е м п е р а т у р а м : так
теплолюбивы насекомые - эктопаразиты млекопитающих и птиц (теплокровных животных), холодовыносливы обитатели больших глубин,
комары и др. Растения также могут быть и теплолюбивыми, и холодоустойчивыми. Для них температура определяет возможность испарения
и фотосинтеза, сбрасывание листьев, перезимовывание и т.д.
Температура - важнейший экологический фактор, определяющий
предпочтительность местообитания, степень активности и жизнедеятельности организма, длительность развития и число поколений в году.
По отношению к температуре животные могут быть теплокровными
и хладнокровными.
Вода, ее физические свойства - плотность, удельная теплоемкость,
растворенные в ней газы и соли, показатель рН, течения - являются для
обитателей водной среды экологическими факторами, определяющими
разнообразие их приспособлений и выживания. В толще вод различают
планктонные организмы, имеющие небольшой удельный вес и свободно
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
парящие в воде; бентосные - водоросли, кораллы, прикрепленные к дну;
свободно активно плавающие (рыбы, млекопитающие). По-разному
жители вод приспособлены и к скорости течения. Так, обитатели быстрых
рек и стоячих водоемов имеют даже тело разной формы в поперечнике почти круглое в быстрых реках, и сплющенное с боков - в стоячих
водоемах.
В условиях водоема лимитирующим фактором оказывается содержание кислорода - оно тем больше, чем ниже температура воды, поэтому
самым богатым по видовому составу оказывается Северный Ледовитый
океан.
На суше по отношению к влажности растения влаголюбивы и засухоустойчивы, животные - влажных мест обитания и живущие в условиях
сухих степей и пустынь. Каждое из них имеет свои приспособления к соответствующим условиям жизни.
Ионизирующие излучения любого вида и происхождения становятся
в наше время серьезной опасностью для человека, хотя жизнь на Земле
с момента ее зарождения всегда протекала под воздействием ионизирующих излучений.
В 1895 г. немецкий физик В.Рентген открыл новый вид излучений,
позже названных рентгеновскими.
В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель открыл явление
радиактивности.
Радиационный фон Земли складывается из разных источников:
- космические лучи - около 30% естественного фона;
- излучение рассеянных во всех сферах Земли тория, урана, радия около 70%.
Радиоактивные изотопы .входят в состав клеток и тканей организма
(К40, Н3, С и ). Больше всего вокруг нас родона, особенно в воздухе жилищ.
Живые существа в целом адаптированы к естественному фону ионизирующей радиации, превышение же этого фона опасно для жизни. Так,
выпавший с дождем Sr90 попадает в траву, в съевшую эту траву корову,
с молоком и сыром - в человеческий организм, где будучи аналогом
кальция накапливается в костном мозге и может привести к лейкозу или
опухоли кости.
4. Г е о л о г и ч е с к и е м а с ш т а б ы д е я т е л ь н о с т и живого вещества
подтверждаются таблицей 10.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 10
Состав атмосферы и температура на планетах
Марс
Венера
Земля без
жизни
Совр. Земля
ССп
95
98
98
0,03
N
2,7
1,9
1,9
ок. 79
Содержание газов
в атмосфере, %
5. Адаптации организмов к окружавшей среде многообразны в соответствии с многообразием факторов среды.
Адаптации проявляются в вариантах жизненных форм.
Жизненные формы
животные
растения
гидрофиты (водные)
фанерофиты (деревья,
лианы, кустарники)
- эпифиты (орхидеи)
• ползучие (почки зимой
под снегом)
- сохраняющие зимой
почки над уровнем
земли
геофиты (имеющие
корневища, клубни,
луковицы)
• роющие
- плавающие
- летающие
• бегающие и тд.
Различны в зависимости от
способа добывания пищи,
степени активности, жизни
в определенном ландшафте,
стадий индивидуального
развития
К а ж д а я из форм приспособлена к своей климатической зоне.
А д а п т а ц и и о б е с п е ч и в а ю т возможность в ы ж и в а н и я о р г а н и з м о в
в конкретных условиях. Т а к , у животных размеры тела определяются
температурой среды - п р а в и л о Бергмана (1814-1865).
Д л и н а тела волка на Т а й м ы р е - до 137 см, в М о н г о л и и - до 127 см,
лисы на Среднерусской равнине - до 90 см, в Туркмении - до 57 см.
П р а в и л о Аллена (ам.) - животные более холодных ареалов имеют
выступающие части тела меньших размеров, чем жители более теплых
районов.
Лисица фенек в жарких пустынях имеет очень большие уши, рыжая
лиса средних ш и р о т - уши меньших размеров, и совсем крошечные ушки
и нос у песца в северных широтах.
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Правила Бергмана и Аллена вытекают из принципа уменьшения
теплоотдачи при сокращении отношения поверхности тела к объему,
форма и размеры тела человека также подчиняются этим правилам в жарких странах на всех континентах средний вес тела человека меньше,
чем в популяциях умеренных или северных широт.
С теплообменом связано и поведение животных: "солдатики" весной
собираются у теплых южных стен зданий или сторон кочек, саранча на
закате висит на кончиках травинок, а к восходу солнца опускается ближе
к почве, муравьи на ночь закрывают входы в муравейник (23-29°).
Адаптации обеспечивают и групповое, и индивидуальное выживание. Шимпанзе умеют соотносить размеры, сообщать о пище, общаться с помощью символов, ориентироваться, хорошо запоминать,
"хорошие ботаники". Выживать им помогает и принцип "слияния разделения группы" в зависимости от количества пищи.
В популяциях адаптации носят приспособительный характер в зависимости от их вида в биоценозе, т.е., от трофических связей: у хищника
развиваются п р и с п о с о б л е н и я к ловле добычи, у жертв - к защите,
спасению.
Таким образом, адаптации выражают меру соответствия организма
окружающей среде. Правила Бергмана и Аллена, соответствие зубов
хищных и травоядных животных, поведение и интеллект животных примеры адаптации, отражающие ее относительность. Адаптации не
могут быть на 100% совершенными, их определяют динамичные условия
среды.
Лекция 12. П О П У Л Я Ц И Я В Э К О С И С Т Е М Е
1.
2.
3.
4.
5.
Вид и его критерии.
Популяция - единица вида и эволюции.
Структура популяции.
Регуляция отношений внутри популяции.
Стратегия регуляции численности в популяциях
1.Каждая экосистема состоит из особей разных видов с разными
экологическими свойствами, находящимися друг с другом в сложнейших
связях. В биосфере более 2 млн. видов живых существ.
Что есть вид? Основная заслуга в определении понятия "вид"
принадлежит шведскому ученому Карлу Линнею (1707 - 1778). Именно
он предложил первую в истории науки систему классификации живого
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(тип, класс, отряд, семейство, род, вид). Впервые К.Линней ввел в науку
латынь, и систематики всего мира заговорили на одном языке, впервые
ввел двойную ("бинарную") номенклатуру, и всем стало понятно, о чем
идет речь.
До сих пор нет строгого определения понятия "вид", однако можно
выделить ряд его критериев:
- морфофизиологический;
- генетический;
- экологический;
- географический.
Место вида в системе каждого царства определяется по тщательно
в ы в е р е н н о й ц е п о ч к е критериев. Т а к , место ч е л о в е к а в с и с т е м е
современной классификации можно определить следующим образом:
Тип Хордовые (зародыш имеет хорду);
П о д т и п - п о з в о н о ч н ы е (вместо хорды позднее ф о р м и р у е т с я
позвоночник);
Класс - млекопитающие (для них характерны волосяной покров,
наличие млечных, сальных, потовых желез, внутриутробное развитие);
Подкласс - плацентарные (зародыш и плод получают питательные
вещества через плаценту);
Отряд - приматы (только у них есть руки, бинокулярное же зрение
характерно и для приматов, и для хищников - для тех, кому для выживания необходимо точно определять расстояние);
Род - люди (все наши предки относятся к этому роду);
Вид - разумные (только человек может изготавливать орудия при
помощи орудий).
Вид от вида отделены различными формами изоляции (морфофизиологической, пространственной, экологической), главной из них
является репродуктивная изоляция - организмы разных видов либо вообще не скрещиваются, либо скрещиваются, но не дают потомства (мул гибрид осла и лошади бесплоден).
Таким образом, живое вещество биосферы представлено
разнообразными видами организмов, каждый из которых устойчиво
возобновляется во времени, населяет определенный ареал и репродуктивно изолирован от других видов.
2. О с о б и вида распределены в пределах ареала неравномерно.
Участки с относительно высокой численностью чередуется с участками
низкой численности или полного отсутствия особей. Относительно
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обособленные группы особей одного вида называют популяциями. В пределах каждой популяции действуют свои экологические и эволюционные
(мутации) факторы. Под воздействием этих ф а к т о р о в проявляется
модификационная (ненаследственная - или приспосо-бительная) или
мутационная ( н а с л е д с т в е н н а я , и м е ю щ а я э в о л ю ц и о н н о е з н а ч е н и е )
изменчивость.
Главная функция популяции - непрерывное воспроизводство новых
поколений вида в условиях конкретной экосистемы, когда особи разного
пола одного вида находят друг друга, а особи близких видов репродуктивно изолированы и не могут скрещиваться друг с другом (бабочки,
мыши находят друг друга по запаху феромонов самок - у каждого вида
он свой).
Человеку трудно отличить в естественных условиях чайку малую
от обыкновенной, птицы же в природе ошибаются редко, Ритуальные
крики и позы помогают чайкам опознавать друг друга, хотя обитают
они в одних и тех же местах.
Таким образом, популяция - любая группа организмов одного вида,
з а н и м а ю щ а я о п р е д е л е н н ы й ареал и ф у н к ц и о н и р у ю щ а я как часть
сообщества. Термин "популяция" перенесен в биологию из демографии,
где он означает народ, население (от лат. populatio).
Это достаточно многочисленная совокупность особей одного вида,
населяющая определенный участок географического пространства в течение длительного времени. Особи в пределах популяции скрещиваются
случайно. Строго говоря, в природном сообществе взаимоотношения
складываются не на уровне вида (его представители могут обитать не
только в данной конкретной экосистеме), и не на уровне особи (между
ними связи кратковременны и чаще пищевые - лиса съела зайца), а на
уровне популяций. Для них характерны и основные признаки вида, и некоторые особенности в местообитании, строении особей, отличающие
одну популяцию от другой.
Популяция - единица вида (вид в природе разбит на популяции) и
единица эволюции, именно в популяции происходят основные эволюционно значимые события - мутации, приводящие к репродук-тивной
изоляции, а затем и к исключению свободного скрещивания, т.е., к появлению разновидностей и новых видов.
3. Структура популяций проявляется в определенном количественном соотношении особей разного пола, возраста, размера: возрастная, половая, размерная, генетическая структуры.
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Соотношение этих групп по отношению к продолжительности жизни
у разных организмов сильно варьирует. У современного человека эти
три возраста приблизительно одинаковы - на каждый приходится примерно по трети жизни.
Структуру популяций определяют:
Рождаемость - число рождений в единицу времени. Эта величина
непостоянна и зависит от размера, возраста особей в популяции, от условий среды. Повышение рождаемости приводит к повышению плотности
особей на е д и н и ц у п л о щ а д и , к о б о с т р е н и ю к о н к у р е н ц и и из-за
территории, из-за самок, из-за пищи - отсюда обстановка стресса, угнетения, что и приводит к увеличений смертности или блокированию
поступления в кровь половых гормонов.
С м е р т н о с т ь - число смертей в единицу времени. В норме все
организмы у м и р а ю т от старости. Старость - это возраст физиологической продолжительности жизни. Зачастую она превышает среднюю
экологическую продолжительность жизни.
При повышении смертности сокращается численность популяции
и включаются механизмы, стимулирующие размножение: снижается
стресс, повышается уровень половых гормонов, увеличивается рождаемость. Таким образом, в популяции включаются механизмы саморегуляции.
В ы ж и в а е м о с т ь - средняя для популяции вероятность сохранения
особей каждого поколения за определенный промежуток времени. У каждого вида своя кривая выживания. Их три типа:
- сильно выпуклая форма, когда большое число особей живут одинаково и умирают за к о р о т к о е время (человек, д р о з о ф и л а , млекопитающие);
- почти прямая, когда коэффициент смертности постоянен на протяжении всей жизни (гидра);
- вогнутая у видов с высокой смертностью в ранних возрастах (устрицы, птицы, рыбы, многие беспозвоночные).
Выживаемость определяется уровнем организации и выражается
в отношении числа взрослых особей, участвующих в размножении, к
числу родившихся в каждом поколении, колеблется от 0,000001% у
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бактерий до 10-30% - у птиц и млекопитающих. Таким образом, популяция имеет свою структуру: возрастную, половую, генетическую,
отражающие происходящие в ней процессы рождаемости, смертности,
выживания.
4. В популяциях особи животных организованы в группы - семьи,
стада, стаи или живут в одиночку. Пространственные и демографические
характеристики популяций регулируются поведением животных, которое
имеет видовые особенности. Поведение и система сигналов позволяют
защитить свою территорию, привлечь брачного партнера, обеспечить
себе пропитание.
Семья - простейшая группировка особей. После сезона размножения
может распадаться, а может иметь детей несколько поколений. Кланы у гиен, прайды у львов.
Киты, копытные, приматы живут стадами. Размеры стада, его состав
по возрасту и полу изменчивы во времени. Киты, обезьяны до нескольких
десятков животных. Олени, сайгаки, гну - сотни и тысячи особей.
Опасность узнают по поведению вожака.
С т а я - временная группировка особей (насекомые, рыбы, птицы).
Стая волков - 5-10 и до 22 особей, моногамные пары и несколько
поколений потомков охотятся на одной территории, причем, все её
маркируют.
Ж и в о т н ы е , ведущие г р у п п о в о й образ жизни, о р г а н и з о в а н ы
иерархически. Иерархия и другие формы жизни группы носят адаптивный характер и составляют сущность жизни вида. Поведение особей
данного вида способствует его выживанию. Иерархическая структура
группы зависит от особенностей среды обитания (закрытые лесные или
открытые степные, саванновые пространства) и от образа жизни. Так,
стадные обезьяны нападают и отбиваются вместе, но не помогут раненому. Гиеновые же собаки выставляют около раненого охрану и носят
ему пищу. В стаде оленей главные отношения - "мать-дитя", у птенцовых
птиц так же.
При ч р е з м е р н о й п л о т н о с т и популяций н а б л ю д а ю т с я явления
стресса: рассасываются зародыши у беременных самок, каннибализм,
эмиграция особей низкого ранга.
5. Жизнеспособность популяции определяется ее численностью
и плотностью. Каждая особь в популяции рождается, стареет, умирает,
прожив свой определенный срок.
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Максимальная продолжительность жизни
(в годах)
Беспозвоночные
Земляной червь
Королевский муравей
Омар
Пресноводная
жемчужница
Птицы
Ласточка
10
19
Скворец
50
Домашний голубь
больше 100 Беркут
Гриф
Млекопитающие
Рыбы
Гуппи
Карп
Белокорый палтус
Осетр
Земноводные и
пресмыкающиеся
Жаба
Гигантская саламандра
Аллигатор
Слоновая черепаха
5
больше 50
70
больше 100
Землеройка
Мышь
Кролик
Овца
Собака
Корова
36
больше 50 Лев
Зебра
60
больше 150 Индийский слон
Человек
9
19
35
80
117
2
3
12
больше 15
больше 24
больше 30
35
больше 38
больше 77
больше 115
У теплокровных животных, как правило, продолжительность жизни
тем больше, чем больше размеры, ниже плодовитость и медленнее созревание. У многих хладнокровных продолжительность жизни не зависит
от размеров тела, и они живут и растут, пока их не съедят. Теоретически
такие животные бессмертны.
О д н а к о , каждая о т д е л ь н а я особь не может х а р а к т е р и з о в а т ь с я
численностью, плотностью, возрастной структурой. Эти характеристики
могут относиться только к популяции в целом.
Численность - число особей данного вида, обитающих на единице
занимаемой популяцией площади. Это может быть прямой подсчет или
используется метод мечения и повторных отловов.
Если популяция слишком велика, а площадь занимает маленькую,
определяют плотность популяции: число особей или биомассу популяции
на единицу площади или объема. Плотность популяции зависит от трофического уровня - чем ниже он, тем выше плотность, чем крупнее
ж и в о т н ы е внутри у р о в н я , тем б о л ь ш е их б и о м а с с а . П л о т н о с т ь важнейший показатель процветания популяции.
Так, .в России на рубеже XIX-XX вв. был почти истреблен соболь.
Комплекс мер - запрет промысла, расселение, борьба с браконьерами позволили увеличить численность соболя до промысловой. Для сохране112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ния промысловой плотности пришлось исследовать экологию в каждом
регионе обитания зверьков: элементы питания, запасы кормов, их доступность в наиболее трудные периоды года, плотность, темпы размножения.
Таким образом, численность и плотность популяции позволяют
оценить и прогнозировать состояние популяции на каждый момент
времени.
Динамика численности популяций, как э к о л о г и ч е с к о е явление,
определяется абиотическими (климатическими) и биотическими (конкуренция, влияние паразитов) факторами. В б л а г о п р и я т н ы х условиях
численность могла бы расти неограниченно (бактерии делятся через
каждые 20 мин., туфельки - через 6 часов, а через трое суток их было бы
4096 особей). Однако среда может обеспечить существование лишь
определенного количества живых существ (популяционные волны зайцев
и рыси, саранчи), и в природе вспышки численности чередуются с ее
спадами.
Человек в своей деятельности тесно связан с популяциями многих
видов; растения, животные для него - пищевые, промышленные ресурсы,
понятно его стремление научиться регулировать численность популяций
и полезных для него, и вредящих хозяйству. Достигнуть этого можно
лишь познав природные регуляторы численности.
В природных условиях увеличение плотности популяций ведет
к перенаселению их ареала, возрастанию напряженности отношений,
накоплению гормонов надпочечников и нарушению спаривания и размножения. Отсюда уменьшение численности популяции - происходит
естественная регуляция численности, В природе главным механизмом
п р е д о т в р а щ е н и я п е р е н а с е л е н и я являются к о н к у р е н ц и я , паразиты,
эпидемии.
Человек до сих пор использует химические способы регуляции
численности вредных насекомых, обрушивая на них сотни тысяч тонн
инсектицидов - уже через 2-3 года подавляющее большинство химикатов
теряет свою э ф ф е к т и в н о с т ь . Это п р о и с х о д и т п о т о м у , что данная
популяция вырабатывает генетическую устойчивость к загрязнителю.
По мере развития сельского хозяйства у в е л и ч и в а ю т с я расходы на
контроль численности, повышается устойчивость вредителей к пестицидам, концентрация побочных химических продуктов становится, все
более опасной для здоровья людей.
Человек встал перед необходимостью восстановления природного,
зависимого от плотности, контроля численности популяций в пределах
экосистемы. Нужен поиск средств избирательного действия, затрагивающего только подлежащие уничтожению компоненты сообществ.
Нужны биологически активные вещества с высокой избирательностью
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для защиты растений: аттрактанты, стерилянты, гормональные препараты (метод самцового вакуума - отлов самцов, привлекаемых на запах
синтетических половых феромонов самок; выпуск в природу стерилизованных химическими стерилянтами или жестким излучением самцов).
Таким образом, исходя из сложной зависимости численности популяций от комплекса экологических факторов, человек стремится строить
стратегию регуляции ее на основе природных регуляторов, зависимых
от плотности популяций интересующих его видов.
Лекция 13. Э К О Л О Г И Я Ч Е Л О В Е К А
1. Предмет экологии человека.
2. Биологическая изменчивость людей.
3. Адаптация человека к условиям среды.
4. Расы как исторически сложившиеся экотипы людей.
5. Экологическая дифференциация человечества.
6. Антропогенные экосистемы.
1. Биосфера как оболочка Земли (по В.И.Вернадскому) включает
три к о м п о н е н т а : живое вещество - б и о м а с с у ( с о в о к у п н о с т ь всех
организмов), биогенное вещество - все созданные живым веществом
продукты и биокосное вещество - вещества, образовавшиеся в результате
взаимодействия живых организмов с неживой природой. Сюда относится
газовый состав нижних слоев атмосферы, почва.
Биосфера Земли - древняя, многокомпонентная, сложная, термодинамически открытая, саморегулирующаяся система живого вещества и
неживой п р и р о д ы , а к к у м у л и р у ю щ а я о г р о м н ы е ресурсы э н е р г и и ,
обладающая устойчивостью и пластичностью (В.А.Ковды, 1969).
Человек как вид эволюционировал в составе биосферы, представляя
лишь н и ч т о ж н у ю массу вещества нашей планеты. Своим разумом,
трудом и орудиями он изменяет и использует компоненты биосферы для
удовлетворения своих потребностей, часто ставя под угрозу их сложившееся динамическое равновесие. В результате этого, в силу обратной
связи, наступают сдвиги в биологических связях самого человека. Так,
в результате развития химической промышленности в составе биосферы
появились новые вещества, с которыми живая материя на протяжении
своей истории не сталкивалась и не взаимодействовала. Отсюда аллергическая реактивность, наследственные заболевания, которые, являясь
формами изменчивости у человека, в силу отсутствия у него естественного отбора постепенно накапливаются в человеческих популяциях.
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Антропогенное влияние на флору и фауну, например Сибири, стало
настолько интенсивным, что трудно обнаружить виды растений или
животных, н е и с п ы т ы в а ю щ и е в о з д е й с т в и я ч е л о в е к а , з а г р я з н е н и е
атмосферы, водоемов, почвы. Теперь человеку в биосфере как виду нужно
защищать свой вид от самого себя.
В силу своей с о ц и а л ь н о й п р и р о д ы , н а п р а в л е н н о г о изменения
взаимоотношений в биосфере человек выделился из нее в ноосферу
("Ноос" - разум).
Ноосфера - последнее из многих состояний эволюции биосферы в
г е о л о г и ч е с к о й и с т о р и и - " с о с т о я н и е н а ш и х д н е й " - писал акад.
В.И.Вернадский.
Сознательно приспосабливая среду к своим потребностям, человек
как живой о р г а н и з м сам п р и с п о с а б л и в а е т с я к ней по законам
возникновения биологических адаптаций (Э.С.Бауэр, 1935). То есть, его
биология в теоретическом и практическом (медицинском) аспектах
должна начинаться с основного закона общей биологии - закона единства
организма и среды - закон Рулье-Сеченова (Б.Г.Иоганзен, 1964, 1965,
1967).
Организм и среда представляют собой не только диалектическое
единство, но и целостность. Целое - это биосфера с меняющимися
состояниями живой материи в процессе филогенеза. Такими меняющимися с о с т о я н и я м и живой материи являются системы видовых,
морфологических, биохимических и др. адаптаций. Только в единстве
организма и среды можно вскрыть и с т и н н о е адаптивное значение
и з м е н ч и в о с т и и н а с л е д с т в е н н о с т и , р о с т а и р а з в и т и я , старения,
размножения, саморегуляции у человека, выделившегося в ноосферу.
Изучением этого единства и занимается экология человека. Именно эта
наука должна стать ведущей теоретической дисциплиной высшего
образования.
Под экологией человека понимают экологию в целом и человека
в любой из экосистем, входящего в состав популяций в различных
условиях обитания. Человеческие популяции политипичны - зависят от
наследственных и экологических факторов.
Взаимодействие человеческого организма со средой протекает в двух
направлениях.
1-е направление. Биохимические изменения в организме человека
в соответствии с условиями среды: у мужчин, женщин и детей их изучает
аутэкология, в группах - синэкология.
Результат такого взаимодействия - возможности адаптации к различным факторам среды.
2-е направление. Биологические реакции, характерные для данного
частного генотипа, они помогли выжить первым гоминидам.
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Особенность среды обитания человека в том, что это и естественная,
и искусственная среда: климат, биотические факторы и его собственные
поселения.
Появившись около I млн. лет назад, х о м о занимал в биосфере
определенную нишу, как и любое другое млекопитающее. Развитие мозга
и интеллекта позволили ему овладеть огнем, создать орудия труда, начать
заниматься сельским хозяйством, шить одежду и т.д. И, тем не менее,
человек сохранил широкую норму реакции на комплекс условий среды,
что проявилось в изменчивости морфофизиологических признаков в
пределах оптимума, адекватного этим условиям.
2. В основе биологической изменчивости людей лежит высокая
пластичность морфофизиологических признаков в условиях освоения им
Ойкумены. Х а р а к т е р о с о б е н н о с т е й с т р о е н и я тела, показателей
основного, белкового, липидного обмена подчиняется экологическим
факторам, однако наследственно обусловлен, являясь результатом
адаптации и е с т е с т в е н н о г о отбора. Т.е. среду и наследственность
обособлять нельзя.
Примеры биологической изменчивости:
1. Весоростовой показатель Рорера.
В Старом Свете в тропиках более "легкие" популяции (искл. - Египет,
ЮАР), несколько "тяжелее" - в Австралии и Океании.
В Новом Свете плотность тела также различна у алеутов, эскимосов,
североамериканских и центрально- и южноамериканских индейцев: у
экватора она меньше.
2. Рост.
- 170-175 см - Скандинавия, Албания;
- 160 см - Испания, Ю.Италия;
- меньше 160 см - лопари и некоторые сибирские народности;
- Африка: высокие тутси, низкорослые пигмеи;
- 145-150 см - бушмены Калахари;
- очень низкорослые - негритосы Филиппин и Малайи.
В целом рост человека предопределяется генетически, однако,
генетическая программа реализуется в условиях среды. Так, средний рост
в экономически развитых странах за последние сто лет значительно
увеличился.
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Поверхность тела.
В тропиках она меньше, чем во внетропических зонах, однако показатель соотношения поверхности тела к весу здесь выше, чем во внетропических областях.
4. Пропорции тела. В тропиках возрастает долихотомия (узкое тело
и длинные конечности), уменьшены поперечные оси скелета.
5. Основной обмен снижается по направлению к тропикам.
6. Холестерин сыворотки крови понижается к югу. Его содержание
больше, если в пище больше белков и жиров, а у тропических популяций
в рационе больше углеводов. Следует знать, что уровень холестерина
еще и наследуется.
7. Белки сыворотки крови.
В тропиках выше уровень -глобулинов. Кто связывает это с малярией, кто с белковой недостаточностью, кто считает это наследственно
обусловленным в разных широтах также, как и меньшее количество здесь
альбуминов.
Т.е. население тропических иунетропических широт различается по
морфологическим признакам, независимо от расовой и этнической
принадлежности. Это важно знать для учета реактивности организма
на медикаментозное лечение, дозирование нагрузок и т.д.
Все люди способны адаптироваться к среде - результат эволюции.
Неоднородность среды определяет два типа взаимодействия человека
с ней:
I. Биологические процессы, определяющие рост, жизнедеятельность,
воспроизведение членов популяции человека.
II Небиологические процессы - формы культурных, технических
и общественных реакций в группах - идет адаптация.
3. Адаптация - биосоциальный процесс активного приспособления
человека к среде, обеспечивающий нормальную жизнедеятельность в конкретных ее условиях.
Проблема приспособлений (адаптаций) у человека при меняющейся
и меняемой его деятельностью среды представляет главнейшую проблему
биологии человека в теоретическом и практическом аспектах. В практическом - из нее вытекает вся основа медицинских действий и профилактических мероприятий, опять-таки сводящихся к направленному изменению среды. В теоретическом - проблема исходит из правила: любое приспособление - это, прежде всего, изменение интенсивности обмена в ответ
на изменяющуюся среду, которое может проявляться либо в формах
биохимической, физиологической или морфологической изменчивости,
л и б о в н а р у ш е н и я х о б м е н а . Отсюда и комплекс м е р о п р и я т и й ,
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
позволяющих человеку приспосабливаться к меняющимся условиям
среды. Люди живут в разных климатических условиях, условиях питания
и национальных обычаев и т р а д и ц и й , в разных у с л о в и я х взаимоотношений с патогенными и непатогенными организмами. Именно такие
группы людей (популяции), живущие в разных условиях среды, являются
объектами изучения биологии человека.
П о п у л я ц и о н н ы й уровень о р г а н и з а ц и и живой м а т е р и и применительно к человеку - это территориальная совокупность, характеризуемая групповыми свойствами, отсутствующими у отдельных особей:
плотностью, показателями рождаемости и смертности, соотношением
особей разного возраста, характером распределения о с о б е й в пространстве, скоростью роста популяций (Одум,.1966). Чаще всего это еще
и этническая группа.
В человеческих популяциях групповые свойства определяются
и регулируются биологическими и социальными факторами.
Виды биологических адаптаций
внегенетическая биологическая
адаптация (общность
архитектуры, традиций, уклада,
питания, одежды и т.д.),
генетически не
запрограммирована,
но передается из поколения
в поколение в процессе
воспитания
генетически детерминирована
проявляется фенотипически
в комплексе
морфофизиологических
особенностей
Одна из форм внегенетической адаптации - акклиматизация. Это
б и о с о ц и а л ь н а я п р и с п о с о б л я е м о с т ь человека к комплексу условий
внешней среды (температуре, климату и др. экологическим условиям).
Не наследуется и п р о я в л я е т с я к р а т к о в р е м е н н о (поднялся в горы одышка, если организм нетренированный; спустился с гор - норма).
4. В процессе адаптации к условиям среды сложились все современные экологические типы людей. Их три: арктический, высокогорный,
континентальный. В п р е д е л а х к а ж д о г о из. этих типов выделяются
отдельные популяции, по характерным признакам выделяемые в особые
группы - расы.
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расы - это исторически сложившиеся на отдельных территориях
группы людей, связанные единством происхождения и различающиеся
рядом морфологических и биохимических особенностей.
Выделяют три основных расы:
- е в р о п е о и д н а я . Возникла в условиях умеренного или холодного
климата. Для европеоидов характерны светлая кожа (спасает от рахита),
выступающий нос (вдыхаемый воздух согревается).
- а в с т р а л о - н е г р о и д н а я . Возникла в условиях жаркого влажного
климата. Характерные особенности: темная кожа (зашита от избытка
солнечной радиации), курчавые жесткие волосы, широкий нос и толстые губы
(облегчают испарение).
- монголоидная. Возникла в условиях степей или полупустынь
с
сильными ветрами. Относительно короткие конечности, невысокий рост,
плоское лицо (защита от обморожения), складка в ушу глаза - эпикантус и
узкие глаза ( з а щ и т а от ветра) помогли п р е д с т а в и т е л я м этой расы
адаптироваться к условиям степей и полупустынь с сильными ветрами и
высокой сухостью воздуха.
Расовые р а з л и ч и я касаются т о л ь к о м о р ф о ф и з и о л о г и ч е с к и х
признаков и никак не связаны с интеллектуальной или психической
деятельностью людей.
Отбор на расообразование шел неясным пока путем через пищевой
режим, геохимические особенности окружающей среды и т.д.
Ни одна из рас не достигла статуса вида. Это объясняется тем, что
их становление шло, когда у человечества у ж е выключился такой
мощный в и д о о б р а з у ю щ и й фактор, как внутривидовая борьба - уже
действовали социальные законы.
Все расы человека связаны между собой постепенными переходами.
Существование промежуточных типов обусловлено единством происхождения всех рас и процессами межрасового смешения. Пример коренные жители Австралии. У них темный цвет кожи, широкий нос,
выступающие припухлые губы, т.е. явно негроидный облик. Однако
волнистые волосы и развитый волосяной покров сближает их с европеоидами.
В настоящее время происходит смешение рас. Их границы все более
размываются. Предполагают, что через длительное время расы перестанут существовать. Причины этого:
а) не происходит отбор по цвету кожи и другим расовым признакам.
Люди в городах во всем мире едят практически одинаковую пищу выключается б и о х и м и ч е с к и й фактор. Если с е р п о в и д н о к л е т о ч н ы е
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
эритроциты были а д а п т и в н ы м фактором ( г е т е р о з и г о т ы не болели
малярией), то т е п е р ь с е р п о в и д н о к л е т о ч н а я а н е м и я - всего л и ш ь
генетическая болезнь (т.к. есть лекарства от малярии). Отбор в человеческом обществе сохраняет только стабилизирующую функцию. Под его
действие подпадают лишь нежизнеспособные гомозиготы по какой-либо
летальной мутации;
б) смешение рас в результате межрасовых браков. Различного рода
расовые, национальные, религиозные предрассудки все больше теряют
свое значение, отсюда - большое число смешанных браков.
5. В настоящее время наибольшее число людей обитает в двух резко
различающихся географических зонах - в тропиках и смешанных лесах.
Первые гоминиды появились в тропических, степных и лесостепных
районах, а затем с высокой плотностью заселили эти зоны и многие
другие районы.
Таблица 11
Размещение людей в зависимости от типов среды обитания
Население,
Засушливые земли и пустыни
Тропические леса
"1
Тропические кустарники и леса
_Г
Саванны
1
Степи умеренного пояса
J
Смешанные леса умеренного пояса
Кустарные районы Средиземноморья
18
15
4
28
Относит.
плотность
населения
0,2
1,9
21
12
0,6
7
I
39
4
5,6
4,0
Тайга
Полярные земли и тундры
Горные районы
10
16
12
I
(4)
12
0,1
0,01
1,0
Площадь
суши,
Среда обитания
%
%
В зависимости от типов среды обитания на одних территориях
человек плотояден, на других - растительнояден, на третьих - всеяден.
От этого м е н я е т с я о б л и к ч е л о в е к а и его о б р а з жизни. Эскимос
приспособлен к приему за один присест до 8 кг мяса, у него нет рахита,
авитаминоза, белковой недостаточности.
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Масаи (скотоводы Африки) на 7-8 см выше кикуйю (растительная
пища), живущих на грани белкового голодания, - это биологический
аспект питания.
Есть и социальный - добывание пищи у людей - процесс общественный. Верования, традиции, способы заготовки продуктов, голод как
прямое следствие экономических отношений в обществе. Отрицательно
действующие социальные факторы вызывают сдвиги в приспособительных свойствах популяций и у отдельных индивидов, что проявляется в возникновении болезней.
Таким образом:
1. Человеческие популяции проявляют определенную реактивную
изменчивость по отношению к факторам внешней среды.
2. Реакции носят адаптивный характер, отсюда и адаптивные типы
людей.
А д а п т и в н ы й т и п - норма биологической реакции на комплекс
факторов окружающей среды, обеспечивающих равновесные отношения
данной популяции с условиями среды и проявляющихся в комплексе
морфофизиологических особенностей.
Все реакции адаптации направлены на сохранение биологического
гомеостаза - возможности существования самого человека.
Биологический гомеостаз
(два процесса)
достижение
определенного
равновесия человека
со средой
сохранение этого
равновесия
в последующих
поколениях
Человек, расселившись по земному шару, великолепно адаптируется
к любым условиям, однако есть экологические факторы, относящиеся к
группе экстремальных (неблагоприятных для человека) , отсюда и понятие э к с т р е м а л ь н ы х зон.
Таких зон - пять.
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т а б л и ц а 10
Экстремальные зоны
Зоны
1. Тропическая
Основные
экологические
факторы
1. Высокие
температуры.
2. Высокий
уровень
солнечной
радиации
3. Нет резких
колебаний
(суточных или
сезонных)
4. Высокая
влажность
воздуха
2. Аридная (зона
пустыни)
1. Высокие
температуры
2. Интенсивное
и у/ф облучение
3. Резкие
суточные
колебания
температуры
4. Сухость
воздуха
3. Высокогорная
1. Сниженное
атмосферное
давление
2. Пониженное
содержание
кислорода
3. Низкие
температуры
Морфофизиологические
особенности людей
Связаны с адаптацией
к высокой температуре
и влажности:
1. Худощавы,
удлиненная голова
2. Курчавые волосы
3. Широкий нос
4. Пигментация кожи
Биологическая
адаптация
Направлена
на понижение
теплопродукции
и усиление
теплоотдачи:
1. Активное
потоотделение
2. Снижен
основной обмен
3. Снижено
жироотложение
4. Высокий
уровень углобулинов
Направлена
Связаны с адаптацией
на понижение
к высокой температуре
теплопродукции
и сухости воздуха:
и усиление
1. Худощавость,
теплоотдачи:
удлинение пропорций
1. Снижен
тела
основной обмен
2. Сильная пигментация
2. Снижено
кожи (больше, чем
жироотложение
в тропиках).
Предохраняет не только
3. Снижена
от обжигающего, но и от частота
канцерогенного действия сердечных
ультрафиолета
сокращений
4. Узкий нос
1. Снижена
1. Общее увеличение
активность
длинны и массы тела
окислительных
2. Сильное развитие
ферментов
грудной клетки
2. Снижена
активность
щитовидной
железы и
надпочечников
3. Повышенная
кислородная
емкость крови за
счет увеличения
содержания Нв
и эритроцитов
4. Снижена ЧСС
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Арктическая
(граница по южной
гренице тундры)
5. Континентальная
1. Низкая
температура,
ветер
2. Низкий
уровень
солнечной
радиации
3. Резкие
колебания
основных
метеорологических
характеристик
1. Низкие
температуры
2. Большие
сезонные
колебания
температуры
(65°)
1. Большое развитие
кожно-мускульной
массы
2. Нет людей
астенического типа
3. Грудная клетка
цилиндрической формы,
невысокий рост
1. Высокое
содержание
белков и жиров
в сыворотке
крови
1. Усиленное
жироотложение
2. Большая длина
ног по отношению
к размерам туловища
1. Повышение
газообмена
2. Повышенное
содержание
белков в сыворотке крови
6. Человек, будучи всеядным консументом, сначала занимал сравнительно скромное место в немногих стабильных экосистемах. Научившись
использовать огонь, изготавливать оружие и орудия труда, он все более
освобождался от своих естественных экологических связей. Со временем
человек сам стал в а ж н е й ш и м экологическим ф а к т о р о м . С возникновением з е м л е д е л и я ч е л о в е к научился у н и ч т о ж а т ь естественные
растительные сообщества, заменяя их монокультурами. Как результат
этого - возникновение сельских сообществ. Параллельно происходило
одомашнивание животных и развитие животноводства.
П р о м е ж у т к и м е ж д у у р о ж а я м и вызвали п о я в л е н и е экономики,
основанной на запасах. С л е д с т в и е м этого я в и л а с ь необходимость
постоянного роста производства.
Рост п р о и з в о д с т в а — • и н д у с т р и а л и з а ц и я — • п о я в л е н и е городов
— • урбанизация.
В истории человечества именно возникновение городов привело
к зарождению явления, которое было названо "цивилизацией" и противопоставлялось таким понятиям, как "варварство" и "дикость". Впервые
города появились в III-I тысячелетии до н.э. в Древнем Риме, Индии,
Китае. По мнению многих исследователей, расцвет культуры Древней
Греции был обусловлен, в первую очередь, распространением городского
стиля жизни. Еще на заре нашей эры в эпоху возникновения христианства
безмятежная, счастливая жизнь в представлении многих связывалась
с жизнью именно в городе, в "Граде Божьем".
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Однако в наше время город стал средоточием не только культуры,
новейшей техники, комфорта, индустрии услуг, но и промышленных
загрязнений, символом стрессов, сутолоки, суеты и т.д.
Отрицательные экологические факторы городской среды:
1. Повышенная температура (на 1-2°).
2. Загрязненность воздуха, воды, почвы.
3. "Акустическое неблагополучие" среды.
4. Запыленность атмосферы.
5. Часто "агрессивная" зрительная среда.
6. Высокий темп жизни.
Урбанизация - процесс сосредоточения промышленности и населения в городах.
В процессе урбанизации действие отрицательных факторов
городской среды может усиливаться. Во второй половине XX века
появились города-гиганты, или мегаполисы, с населением 10 млн. и более
человек (Токио, Мехико, Лос-Анжелес, Нью-Йорк). В мегаполисах
особенно трудно создать среду, благоприятную для человека. Экологическая обстановка в них наиболее неблагоприятна.
Ухудшение окружающей среды только отчасти является неизбежным
следствием индустриализации и научно-технического прогресса, а
отчасти - следствием неразумного ведения хозяйства. Таким образом,
антропогенное воздействие на природу имеет две составляющие:
1. Негативное воздействие на природу как неизбежное следствие
существования человеческой цивилизации. Человек вынужден строить
города и выращивать сельскохозяйственные культуры на месте природных экосистем, добывать полезные ископаемые, ловить рыбу, использовать древесину и т.д. Единственный способ свести к минимуму ущерб,
наносимый природе, - разумная демографическая политика, т.е. человечество должно сознательно ограничивать свою численность.
2. У х у д ш е н и е окружающей среды как результат хищнической
эксплуатации п р и р о д н ы х богатств и н е р а ц и о н а л ь н о й организации
производства. Эта составляющая антропогенного воздействия на природу может и должна быть ликвидирована. Для этого необходимо принять следующие меры:
- внедрение безотходных технологий.
- по возможности полную переработку бытового мусора;
- рациональное ведение хозяйства, исключающее неоправданные
потери продукции, тепла, электроэнергии, сырья и т.д.;
- полную очистку промышленных стоков, исключение промышленных выбросов в реки и атмосферу;
- использование нетрадиционных источников энергии, не загряз124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
няющих о к р у ж а ю щ у ю среду ( энергии ветра, приливов, солнечной
энергии, геотермальных вод и т.д.);
- прекращение войн, разоружение.
Таким образом, все более насущной становится задача создания
экологически направленной экономики. Н е о б х о д и м о стремиться не
к м а к с и м а л ь н о м у и с п о л ь з о в а н и ю п р и р о д н ы х б о г а т с т в , а к оптимальному, исключающему истощение ресурсов планеты и сохраняющему
их для будущих поколений.
Лекция 14. В В Е Д Е Н И Е В Т Е О Р И Ю Э В О Л Ю Ц И И
1. Биологическая эволюция. Этапы становления эволюционной теории.
2. Доказательства эволюции.
3. Факторы, главные направления и правила эволюции.
4. Человек и элементарные эволюционные факторы. Полиморфизм человеческих
популяций.
1. Б и о л о г и ч е с к а я эволюция - процесс исторического развития
организмов. В его основе лежат уникальные процессы функционирования наследственной информации в конкретных условиях среды.
Теория эволюции - наука о причинах, движущих силах, механизмах
и общих закономерностях эволюции живых организмов.
Этапы развития эволюционной теории:
1-й - трансформизм - идея изменяемости окружающего мира и живых организмов.
Античное время: Гераклит, Демокрит, Аристотель.
XVII - XIX -вв.: Гук, Дидро, Гете и др.
Позиция трансформистов была во многом умозрительной, т.е. не
п о д к р е п л е н н о й н а у ч н ы м и д а н н ы м и . Т р а н с ф о р м и с т ы не создали
целостной системы взглядов, но подготовили почву для формирования
первых концепций эволюционного учения.
2-й - ламаркизм. Создатель - Жан-Батист Ламарк. XIX-й век, в наше
время в о з р о ж д а е т с я в виде н е о л а м а р к и з м а . Эта т е о р и я также
умозрительна. Л а м а р к признавал прогрессивное развитие природы,
однако движущими силами эволюции считал влияние упражнений и неупр а ж н е н и й на п о я в л е н и е и исчезновение п р и з н а к о в , наследование
п р и о б р е т е н н ы х п р и з н а к о в , а также внутреннее стремление живых
организмов к совершенству (пример с жирафом).
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3-й - дарвинизм. Ч.Дарвин (XIX-й век) впервые создал стройную
теорию эволюции, в которой:
- впервые п р е д л о ж и л естественно-научное о б ъ я с н е н и е эволюционного процесса, выявив его движущие силы: наследственную изменчивость, борьбу за существование, естественный отбор;
- дал объяснение механизма видообразования, причин многообразия
организмов и биологической целесообразности адаптации.
Однако учение Дарвина было неполным и не могло объяснить все
стороны эволюционного процесса. Бурное развитие эволюционного
учения началось благодаря синтезу дарвинизма и генетики. Сейчас - это
синтетическая т е о р и я э в о л ю ц и и , которая п о я в и л а с ь в результате
объединения достижений многих областей биологии.
Основы синтетической теории составляют:
а) дарвинизм,
б) генетика. Учение о микроэволюции - эволюция начинается в пределах вида в результате мутаций (Четвериков, Тимофеев-Ресовский),
в) учение о популяциях (Н.И.Вавилов),
г) учение о биосфере (В.И.Вернадский).
2. Эволюцию как исторический процесс, идущий миллионы лет, не
возможно ни прямо проследить, ни воспроизвести экспериментально.
Поэтому ее реальность доказывается на основании имеющихся указаний
и свидетельств.
Доказательства эволюции дают различные отрасли биологии:
I. Систематика. В биологии принята иерархическая классификация
живых организмов (виды, роды, семейства, классы, типы и т.д.). Сама
возможность построения такой классификации по различным уровням
сходства объяснима только тем, что категории этой системы отражают
близкое или о т д а л е н н о е и с т о р и ч е с к о е р о д с т в о м е ж д у группами
организмов. Результаты таксонометрических исследований могут быть
п р е д с т а в л е н ы в виде ф и л о г е н е т и ч е с к о г о д е р е в а , ветви которого
отражают степень родства.
И. С р а в н и т е л ь н а я морфология - изучение общности плана строения
у родственных организмов, гомологов и аналогов.
Гомологичные о р г а н ы - имеют общее историческое происхождение.
Черты сходства при этом обусловлены разной степенью родства (рука
человека, крыло птицы, передние конечности лошади).
А н а л о г и ч н ы е о р г а н ы - функционально сходные, но разные по
происхождению. Черты сходства обусловлены приспособлением к выполнению одной и той же функции (роющие конечности крота и насекомого медведки). Для построения филогенетического дерева имеет
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
значение принцип гомологии. Аналогичные структуры не могут служить
основанием для выводов о родстве.
III. Изучение онтогенеза. У всех позвоночных образование определенных органов связано с одними и теми же зародышевыми листками.
В ходе эмбрионального развития сначала появляются признаки типа,
затем класса, отряда и, наконец, вида (биогенетический закон ГеккеляМюллера).
Сведения о предковых формах может дать изучение рудиментарных
органов - уже не функционирующих, но еще сохраняющихся от предков
(аппендикс и волосяной покров у человека).
Д о к а з а т е л ь с т в о м э в о л ю ц и и являются и п р о я в л е н и я атавизма.
Атавизм - возврат к уже утраченным признакам предковых форм, когда
по каким-то причинам в онтогенезе не блокируются предковые гены
(у человека - избыточный волосяной покров, хвостатость, полимастия).
IV. Палеонтологические доказательства эволюции. Самым прямым
свидетельством эволюции являются ископаемые остатки. Чем больше
возраст ископаемых остатков, тем сильнее и с к о п а е м ы е организмы
отличаются от ныне живущих.
V. Филогенетические деревья молекулярных структур.
Элементарным эволюционным явлением считают мутацию. Если у одного вида определенное место в молекуле белка занимает одна аминокислота, а у другого это же место в том же белке занимает другая аминокислота, принято считать это мутацией. Разница в количестве мутаций,
не совпадающих у двух видов, может считаться мерой их родства.
Молекулярные родословные подтверждают филогенетические связи,
установленные классическими методами сравнительной морфологии.
VI. Биогеография и экология. Ограниченное распространение какоголибо вида, как правило, свидетельствует о его древности.
Изучение экологии паразитов и их приуроченности к определенным
хозяевам позволяет выявить родственные отношения последних.
3. Движущими силами эволюции М.Б.Ламарк считал адекватную
условиям изменчивость, причем приобретенная полезная изменчивость
обязательно передается потомству; по "теории градаций", организмы
переходят от низших ступеней к высшим в силу стремления к самосовершенству.
4.Дарвин (через. 50 лет после Ламарка издал книгу "Происхождение
видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых
пород в борьбе за жизнь") предлагает свое понимание факторов эволюции: наследственная изменчивость, борьба за существование и естественный отбор.
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Представления Дарвина об изменчивости организмов:
I) имеются разные формы изменчивости и не любая передается по
наследству (групповая - определенная не наследуется, индивидуальная,
или неопределенная, наследуется и известна селекционерам); изменчивость от упражнения или неупражнения органов (Ламарк) также имеет
место, но не наследуется;
II) в о з м о ж н а с о о т н о с и т е л ь н а я ( к о р р е л я т и в н а я ) и з м е н ч и в о с т ь
одновременно нескольких признаков (голубые глаза, белая шерсть и глухота у кошек; длинная шерсть и длинные рога и др.);
III) возможна длящаяся изменчивость в отношении одного признака
(шея жирафа);
IV) могут быть почковые вариации у растений (у сливы с желтыми
плодами могут быть ветки с красными - их используют для вегетативного
размножения).
Через искусственный отбор Дарвин пришел к главному открытию теории естественного отбора. Именно естественный отбор является
главным движущим фактором эволюции, определяющим ее прогрессивный характер. В результате отбора в природе существует многообразие видов, усложнение организации, повышение приспособленности
к условиям жизни. Сохраняя приспособления организмов, естественный
отбор играет творческую роль: определяет особенности поведения,
подражание в окраске и строении (мимикрию), покровительственную
окраску, половые признаки в ярком оперении, рогах, гребнях. Однако
все эти приспособления относительны - меняются условия и ранее
полезные признаки становятся вредными (белая шерсть в бесснежную
зиму, мощные крылья стрижа на ровной площади и др.).
Индивидуальная неопределенная изменчивость часто также оказывается вредной и устраняется естественным отбором (коротконогие овцы
в Англии в дикой природе не выживут - летальная в гомозиготе мутация).
По Дарвину, естественный отбор включается на фоне интенсивности
размножения - рождается всегда больше, чем может выжить. Т.е.,
естественному отбору предшествует борьба за существование, когда
в условиях к о н к у р е н ц и и в ы ж и в а ю т н а и б о л е е п р и с п о с о б л е н н ы е .
Определяя формы борьбы - внутривидовую, м е ж в и д о в у ю и борьбу
с неблагоприятными условиями среды, самой острой Дарвин считает
внутри-видовую, когда в условиях жесткой конкуренции при сходных
потреб-ностях победителем остается тот, кто оставил потомство.
Н а с л е д с т в е н н а я и з м е н ч и в о с т ь на фоне б о л ь ш о г о количества
потомков дает материал для естественного отбора - постепенно в природе
появляется новый вид на основе другого вида.
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дарвин считал, что видообразование идет путем дивергенции расхождения признаков у родственных организмов, попадающих в различные условия жизни (либо короткие, либо длинные крылья у насекомых океанических островов с постоянно дующими ветрами и др.)
В ходе эволюции возможно и обратное явление - конвергенция:
у неродственных организмов в одинаковых условиях среды естественный
отбор формирует одинаковые признаки (крылья у птиц, насекомых,
летучих мышей т.д.).
По современным представлениям, факторами видообразования, или
микроэволюции, являются:
- мутационный процесс,
- популяционные волны,
- изоляция,
- естественный отбор.
Мутации. Отдельные мутации - событие редкое, но при большом
количестве генов и гамет количество мутаций в пределах вида велико.
Большинство м у т а ц и й неблагоприятны, но накапливаясь в гетерозиготном состоянии, они дают положительный эффект:
1) и с к л ю ч а ю т в г е т е р о з и г о т е о т р и ц а т е л ь н о е ф е н о т и п и ч е с к о е
выражение признака, повышают жизнеспособность;
2) создают резерв изменчивости.
Популяционные волны, или "волны жизни" - периодические и непериодические колебания численности популяций, вызванные различными
факторами среды. При резком сокращении численности (например, изза сокращения кормовых ресурсов) среди выжавших немногочисленных
особей могут быть редкие генотипы. Если в дальнейшем численность
восстановится за счет этих особей, то это приведет к случайному изменению частот генов в генофонде данной популяции.
И з о л я ц и я . Изоляция частей популяции (репродуктивная, физиологическая, морфологическая, экологическая, географическая, генетическая) создает барьеры для свободного скрещивания и, таким образом,
нарушает обмен наследственной информацией внутри вида. Поэтому
изоляция - важнейший фактор видообразования.
Е с т е с т в е н н ы й отбор. Естественный отбор переводит случайную
и индивидуальную изменчивость в биологически полезную групповую.
Формы отбора:
1) с т а б и л и з и р у ю щ и й отбор - поддерживает постоянство норм
реакции при неизменных условиях среды,
2) движущий - поддерживает уклонения от нормы реакции в меняющихся условиях среды,
3) дивергентный - направлен против средних форм.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Главные направления эволюции
В основе макроэволюции лежат такие эволюционные процессы, как
биологический прогресс и регресс, учение о которых разработал академик Алексей Николаевич Северцов.
Северцов выделил три направления макроэволюции на пути биологического прогресса:
1) ароморфоз - повышение организации и усложнение функций для
адаптации в новых условиях и выживания (у позвоночных - челюсти,
теплокровность, четырехкамерное сердце, кора больших полушарий;
у растений - вегетативные органы, перекрестное опыление, двойное оплодотворение). Так возникают новые классы и типы организмов;
2) и д и о а д а п т а ц и я - организмы при п о м о щ и частных приспособлений без повышения организации получают возможность занимать
новые места обитания. Так возникают новые виды и роды (многообразие
грызунов, птиц, насекомых и других процветающих групп);
3) дегенерация - упрощение организации, потеря органов и систем,
переход к сидячему образу жизни, паразитизму, но при этом выживаемость обеспечена и группа процветает (сосальщики и ленточные черви).
Правила эволюции
1) п р а в и л о н е о б р а т и м о с т и ( п а л е о н т о л о г Л.Долло, 1893) невозможен возврат любой группы организмов на путь, пройденный
прежде;
2) правило прогрессивной специализации (Ш.Депере, 1876) - если
группа организмов начала эволюционировать в каком-то направлении,
то в дальнейшем она углубляет свою специализацию в наметившемся
направлении;
3) правило происхождения новых групп организмов лишь от неспециализированных предков (Э.Коп, 1904) - только отсутствие узкой
специализации не препятствует возникновению новых адаптации, в том
числе и принципиально новых.
4. Человечество как элемент природы состоит также из отдельных
сообществ, к к о т о р ы м приложим термин "популяция", но с другим
содержанием.
Популяция - это группа людей, занимающих общую территорию
и свободно вступающих в брак. Такие группы могут быть различными
по численности (дем - 1,5 - 4 тыс. человек, изолят - до 1,5 тыс. человек),
различны по возрастному составу, что определяет рождаемость, смертность, соотношение полов в популяции. Жизнеспособность популяции
через структуру браков определяется состоянием ее генофонда. Так, если
на заре человечества популяции были более изолированными, то в насто130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ящее время в условиях миграции населения Земли идет обогащение
генофонда популяций за счет поступления в них новых генов. Однако
во многих странах еще сохраняются изоляты. В силу их малочисленности
в них больше близкородственных браков, что приводит к накоплению
летальных и полулетальных (смертность, болезни) мутаций - генетический груз.
Темпы спонтанных мутаций усиливает и загрязнение окружающей
среды, результатом их могут быть врожденные, наследственно-обусловленные аномалии (уродства, болезни). В сочетании с гене-тической
к о м б и н а т о р и к о й мутации п о д д е р ж и в а ю т и у н и к а л ь н о с т ь каждого
индивидуума, раскрытию которой могут способствовать соответствующие с о ц и а л ь н ы е у с л о в и я ( р е а л и з а ц и я с п о р т и в н о г о т а л а н т а ) .
Возникает необходимость возрождения профориентации в обществе.
Элементарные эволюционные факторы (популяционные волны,
изоляция, естественный отбор и др.) действуют в человеческих популяциях особым образом.
Популяционные волны
Численность населения Земли меняется. В 80-х годах она составляла
4 млрд. 800 млн., к 90-м годам - 5 млрд., к 2000 году - 6 млрд.
Темпы прироста меняются по годам, зависят от развития общества:
земледелия, индустриализации, НТР.
Плотность меняется от 4-х до 1200 человек на 3 км 2 . Снижение
численности может быть связано со стихийными бедствиями - в середине
XIX века это была чума. М о ж е т п о в ы ш а т ь с я по р а й о н а м - БАМ.
Тюменский север.
В о л н ы ч и с л е н н о с т и не имеют большого значения в изменении
генофонда. Опасны войны. Ядерная приведет к геноциду - полной гибели
людей из-за ядерной зимы и гибели всего живого.
Изоляционные барьеры.
Географические.
Разный экономический уклад - селяне, горожане.
Культура.
Религиозные, морально-этические установки.
Изоляция всегда имела место в становлении человеческого общества,
так как оно долгое время развивалось как совокупность изолированных
коллективов, внутри которых совершались браки. Длительным проживанием в состоянии культурной и географической изоляции объясняются
антропологические особенности представителей малых народностей.
Изоляция может быть и социальной (сообщество глухих, различные
секты). Е с л и две ч е л о в е ч е с к и е популяции сосуществуют на одной
территории, сохранению генетической изоляции способствуют отличия
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
по физическим параметрам, образу жизни и др. эти барьеры со временем
ослабевают. Так, например, доля белых в генофонде бразильских негров
составляет до 40%, американских - до 20%.
Со временем смешение браков должно привести к обогащению
генофонда человечества.
Генетико-автоматические процессы.
Дрейф генов - изменение генетической структуры популяции,
вызванное случайными причинами и не ведущее к генотипическому
п р и с п о с о б л е н и ю к среде. Не зависит от е с т е с т в е н н о г о отбора,
проявляется в небольших или изолированных популяциях (изолятах).
Географическая, религиозная изоляции, приводя к инбридингу,
обуславливают аногамию. В середине XVIII века в П е н с и л ь в а н и ю
переселились 3 супружеские пары, стали р о д о н а ч а л ь н и к а м и секты
меннонитов, все переженились друг на друге, дав в 20-м столетии 55
карликов с полидактилией из 50 случаев, известных в мире. Такой
вариант дрейфа генов имеет большое значение для сохранения редких
аномалий. Один из переселенцев из Европы в Азию передал 9000-м
человек ген порфирии - обладатели его не переносят сульфаниламиды и
наркотики.
Д р е й ф генов о к а з ы в а е т большое в л и я н и е н а ф о р м и р о в а н и е
генофондов, узколокальных типов популяций в условиях арктической,
байкальской, уральской и др. групп населения. Однако эти процессы не
имели р е ш а ю щ е г о з н а ч е н и я в д л и т е л ь н о й э в о л ю ц и и человека.
Последствия дрейфа генов имели значение для м е д и ц и н ы - неравномерное распределение наследственных заболеваний среди населения
земного шара.
Таким о б р а з о м , для ф о р м и р о в а н и я ч е л о в е ч е с к и х популяций
элементы эволюционных факторов - мутации, изоляция - оказались менее
значимыми, наиболее существенным оказался дрейф генов.
Естественный отбор
В человеческом обществе произошла замена биологических
факторов с о ц и а л ь н ы м и . Ведущее значение с о ц и а л ь н ы х устранило
э в о л ю ц и о н н у ю р о л ь е с т е с т в е н н о г о отбора, он у т р а т и л функцию
в и д о о б р а з о в а н и я , с о х р а н и в функции с т а б и л и з а ц и и г е н о ф о н д о в и
поддержания
наследственного
разнообразия
(полиморфизма
человечества).
Так, естественный отбор приводит к устранению переношенных и
недоношенных детей, может идти против и гомо-, и гетерозигот.
Против гетерозигот отбор идет, например, по резус-фактору. Так,
85% людей имеют ген: Rh + (Dd, DD), а 15% - Rh" (dd). Если мать резус132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отрицательна , а отец - резус-положителен, плод будет гетерозиготным
резус-положительным (Dd) и вступает с матерью в. резус-конфликт, но
может родиться здоровым, а в крови матери вырабатываются антигены.
При. второй беременности, антигены из крови матери приведут к
гемолизу эритроцитов плода, резус-конфликт проявляется более остро,
и дети гибнут. Чтобы популяция очистилась от этого гена, нужно 600
поколений и 15 тыс. лет. Однако этого не происходит - вмешивается
медицина.
Против гомозигот - НвА - норм, гемоглобин
HBS - аномалия эритроцитов (серповидные)
Таким образом, в данной ситуации в человеческой популяции отбор
идет путем устранения крайних вариантов, сохранения средних и путем
контротбора.
Совокупность разнонаправленных процессов ведет к образованию
генотипов, адаптированных к конкретным условиям среды. Считают,
что в человеческой популяции может идти и движущий отбор, но на
уровне внутриутробного развития.
Для человеческого общества как суммы популяций характерен
п о л и м о р ф и з м - высокий уровень наследственного разнообразия проявляется в многообразии фенотипов: цвет кожи, глаз, волос, форма
ушной раковины, р и с у н о к эпидермальных гребней на подушечках
пальцев. Много вариантов белков - полиморфизм на молекулярном
уровне, что приводит к тканевой несовместимости при трансплантации.
Разная чувствительность к лекарствам закреплена генетически, врач
должен подходить индивидуально и на основе анализа генеалогии
назначать лечение.
Полиморфизм людей проявляется и в наследовании групп крови.
Это связано с действием естественного отбора. В различных районах
Земли имеется больше людей с группами крови I, III, со Н-й - 15-35%,
с IV-й - 4% и меньше.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разное количество людей с различными группами крови может быть
обусловлено их разной чувствительностью к особо опасным инфекциям.
Так, люди с 1-й группой восприимчивы к чуме, их больше там, где ее не
было (Австралия, Полинезия, Америка). В Европе 1-ой группы мало.
Причиной различий в концентрации аллелей групп крови может
быть и дрейф генов в результате, например, репродуктивной изоляции.
Так, у индейцев штата Юта (Америка) II группа крови у 2%, у черноногих
индейцев - у 80%.
Отбор в генофонде популяции может идти по нескольким аллелям
и генотипам с высокой степенью выживаемости. Люди с 1-ой группой
крови тяжело болеют туберкулезом, но меньше ревматизмом, ИБС,
желче-каменной болезнью.
Генетический полиморфизм человечества - это наличие в генофонде
организмов с различными генотипами в состоянии длительного
равновесия, концентрация редких генотипов не должна быть меньше 1%.
По многим локусам генетический полиморфизм мог быть унаследован
людьми еще на досапиентной стадии развития (полиморфизм по группам
крови и резус-фактору есть у человекообразных обезьян). По-видимому,
факторами отбора в тяжелых экологических условиях на разных этапах
развития людей (слабая техническая оснащенность, плохие экономические и гигиенические условия) были опасные инфекции, паразитарные
заболевания, туберкулез. В распределение аллелей свой вклад могла
внести миграция населения, метисация. Генетический полиморфизм
служит основой межпопуляционной и внутрипопуляционной изменчивости людей. Как и у других организмов эта изменчивость и наследственное разнообразие снижают реальную приспособленность популяции людей - генетический груз (D - норма, d - дальтонизм).
Г е н е т и ч е с к и й г р у з - величина, на которую приспособленность
реальной популяции отличается от идеальной, состоящей из "лучших"
генотипов. Этот груз представляет реальную расплату за экологическую
пластичность генофонда человечества и за эволюционные перспективы.
Генетический груз п р о я в л я е т с я в существовании в популяции
н е б л а г о п р и я т н ы х а л л е л е й в составе г е т е р о з и г о т н ы х генотипов. В
гомозиготе такие аллели приводят к смерти, а в гетерозиготе сохраняются
и даже могут с о з д а в а т ь с е л е к т и в н о е п р е и м у щ е с т в о ( с е р п о в и д н о клеточная анемия).
Вследствие наличия неблагоприятных аллелей 1/2 зигот в каждом
поколении людей не участвует в передаче наследственной информации.
15% зигот в каждом поколении гибнет до рождения
3% - гибнет при рождении (перинатальная смертность)
2% - гибнет сразу после рождения
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3% - гибнет до вступления в брак
10% - браков бесплодны
20% - людей не вступают в брак
53%
Исторические перспективы человека в силу его социальной сущности
не связаны с генетической и н ф о р м а ц и е й Homo sapiens, однако мы
продолжаем терять часть л ю д е й в силу их генетической несостоятельности.
Таким образом, человеческие сообщества также подчиняются в
некоторой степени действию элементарных факторов эволюции, обладают генетическим полиморфизмом. Степень действия элемен-тарных
эволюционных факторов определяется социальной сущностью человека.
Будущее человека зависит от того, как он сумеет облегчить тяжесть
генетического груза и насколько исключит возможность увеличения его
вследствие накопления в окружающей среде мутагенов.
Лекция 15. Б И О С Ф Е Р А - Г Л О Б А Л Ь Н А Я Э К О С И С Т Е М А
1. Биосфера - глобальная экосистема.
2. Границы жизни.
3. Структура биосферы.
4. Живое вещество: классификация, функции и свойства живого.
1. В буквальном переводе термин "биосфера" означает сферу жизни,
и в таком смысле он впервые введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 - 1914). Однако задолго
до этого под другим названием, в частности "пространство жизни",
"картина природы", "живая оболочка Земли и т.п., его содержание
рассматривалось другими естествоиспытателями.
Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только
совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя
иногда и указывалась их связь с географическими и космическими
процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость
живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор
с а м о г о т е р м и н а " б и о с ф е р а " Э.Зюсс в своей книге " Л и к Земли",
опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина
(1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и времени,
и обитающую на поверхности Земли".
Первым из биологов, указавших на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 - 1829). Он
подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного
шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности
живых организмов.
Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи
с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других
преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин.
Те элементы знания, которые стали н е о б х о д и м ы м и для понимания
биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии,
науки, к о т о р а я изучает в з а и м о о т н о ш е н и я о р г а н и з м о в со средой.
Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ
при участии живых организмов.
Очень в а ж н ы м для п о н и м а н и я б и о с ф е р ы было у с т а н о в л е н и е
немецким физиологом Пфефером (1845 - 1920) трех способов питания
живых организмов:
- а в т о т р о ф н о г о ( п о с т р о е н и е о р г а н и з м а за счет использования
веществ неорганической природы);
- гетеротрофного (построение организма за счет использования
низкомолекулярных органических соединений);
- миксотрофного (смешенный тип построения организма - автогетеротрофный).
2. Биосфера (в современном понимании) - своеобразная оболочка
Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть
вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими
о р г а н и з м а м и , п р о ш л о й и с о в р е м е н н о й д е я т е л ь н о с т ь ю которых
обусловлены ее состав, структура и энергетика.
Эта оболочка охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и
верхнюю часть литосферы.
А т м о с ф е р а - н а и б о л е е легкая о б о л о ч к а Земли, граничащая с
космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен
веществами и энергии с космосом. Атмосфера имеет несколько слоев:
- тропосфера - нижний слой, примыкающий к поверхности Земли
(высота 9-17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава
атмосферы и весь водяной пар;
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- стратосфера - до 100км, здесь на высоте 22-25 км находится
озоновый экран из молекулярного кислорода (продукта фотосинтеза);
- ионосфера - разряженный газ из ионизированных атомов.
Преобладающими элементами х и м и ч е с к о г о состава атмосферы
являются азот (78%), кислород (ок. 21%), углекислый газ (0,03%).
Г и д р о с ф е р а - водная оболочка Земли, покрывающая 70-80% ее
поверхности. 1 млрд. 300 млн. м 3 воды - океан, 24 млн. км2 - ледники.
Вследствие в ы с о к о й п о д в и ж н о с т и вода п р о н и к а е т повсеместно в
различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные
воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.
Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na%
Mg 2 , Са 2 , C I , S, С.
Концентрация того или иного элемента в воде еще ни о чем не
говорит, важно, насколько необходим он для растительных и животных
организмов, о б и т а ю щ и х в ней. В этом о т н о ш е н и и ведущая роль
принадлежит азоту, фосфору и кремнию, которые усваиваются живыми
организмами.
Главной особенностью океанической воды является постоянное
соотношение основных ионов во всем объеме мирового океана.
Л и т о с ф е р а - в н е ш н я я твердая оболочка Земли, состоящая из
осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой
принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный
выше с е й с м и ч е с к о й г р а н и ц ы М о р о х о в и ч а . П о в е р х н о с т н ы й слой
биосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с
минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки
организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть
почвы). Составными веществами почвы служат минералы, органические
вещества, живые организмы, вода, газы.
Преобладающими элементами химического состава литосферы
являются: О, Si, Ac, Fe, Са, Mg, Na, К.
В е д у щ у ю р о л ь з д е с ь в ы п о л н я е т к и с л о р о д , на долю которого
приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако
кислород п р о ч н о связан с другими э л е м е н т а м и в главных
породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная
кора - "царство" кислорода, химически связанного в ходе геологического
развития земной коры.
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Границы биосферы определяются п р е д е л а м и распространения
живых организмов - биотических компонентов экосистем.
км
космос
-40
стратосфера
-25
озоновый экран (8-10 км на полюсах)
парабиосфера
- 8,846
Эверест
тропосфера
-7
тропобиосфера
-6
слой положительных температур
в атмосфере
фитосфера (0,03-0,15)
педосфера
- 0,840
средняя высота материков над уровнем
моря
0
подземная тропосфера
до гл. 1-1,5 км
--10
метаморфическая оболочка
--11
донные осадки
базальт
гранит
абиосфера
3. Нижняя часть атмосферы, толща океана, донная пленка жизни,
тонкий наземный и м о щ н ы й подземный слои я в л я ю т с я средой, где
возможна жизнь - ее называют "полем существования жизни". Главными
у с л о в и я м и ее с у щ е с т в о в а н и я являются д о с т а т о ч н о е количество
кислорода, жидкой воды, необходимый для жизни диапазон температур,
набор минеральных веществ и соленость среды.
Атмосфера - только "поле устойчивости жизни". 12,5 км (рекордная
высота полета птиц) - верхняя граница жизни. Нижняя на суше - это
интервал от 500 м доЗ км вглубь (1°до 100°С), до нижней границы
которого живут бактерии. В океане нижняя граница жизни - от5 см до
114 м ниже уровня дна, где в донных отложениях и прилегающих породах
такжеесть живые организмы.
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.о., биосфера - это глобальная экосистема, сфера распространения
жизни, границы которой определяются наличием необходимых условий.
Современное состояние биосферы предопределено условиями
развития Вселенной. В большей степени жизнь - явление космическое,
чем земное. Своим существованием она обязана Солнцу. Его энергия на
Земле распределяется следующим образом:
Земля п о с т о я н н о подвергается воздействию космоса. Каждую
секунду на п л о щ а д к у в 1 м 2 через атмосферу влетает более 10000
заряженных частиц - космические лучи как результат взрывов сверхновых звезд в Галактике. Земля защищена от космической радиации
магнитным полем, но только от лучей с малыми энергиями.
Из-за прорыва сквозь атмосферу порций солнечной плазмы на Земле
возникают магнитные бури. В ответ на них у человека меняется порог
возбудимости и торможения, ЧСС, уровень АД, состав крови, понижается внимание, меняются биотоки. Защищает живое от них озоновый
экран, он же защищает живое и от губительного действия УФ-лучей.
Т.о., существование живого на Земле обусловлено и планетарными,
и космическими факторами.
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ж и в ы е о р г а н и з м ы как к о м п о н е н т ы б и о с ф е р ы , п о д в е р г а я с ь
воздействию неживой природы, сами активно включаются в жизнь
п л а н е т ы . К о н т р о л и р у я состав ее г е о л о г и ч е с к и х о б о л о ч е к , в силу
обратной связи, они в значительной мере меняют лик Земли. Перед
естествоиспытателями встает конкретная задача - исследовать, каким
образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и
геологические процессы, происходящие на поверхности нашей планеты
и в ее коре. Возникла необходимость определить - что же такое "живое
вещество"?
Совокупность живых организмов по весу, химическому составу и
энергии - живое вещество (В.И.Вернадский).
По составу набор химических элементов звездного, солнечного и
земного вещества практически одинаков. Водород, углерод, кислород,
сера, фосфор, азот, являющиеся на Земле органогенами, есть и в космосе.
Живое вещество состоит из простых атомов, образуя биомассу планеты.
Б и о м а с с а - с у м м а р н а я масса всех о р г а н и з м о в в б и о с ф е р е ,
составляющая 1,3х10 8 г или ЗОхЮ21 дж.
Биомасса Земли (%)
Сухое вещество
Океан
Континенты
Зеленые
растения
Животные и микроорганизмы
Итого
Зеленые
растения
Животные и микроорганизмы
Итого
99.2
0.8
100
6.3
93.7
100
Из таблицы видно, что на суше преобладает биомасса растений, в
океане - животных. В целом биомасса океана составляет лишь 0,13%
биомассы суши.
4. Ж и в о е в е щ е с т в о к л а с с и ф и ц и р у е т с я по с и с т е м а т и ч е с к о м у
положению, способам питания, степени воспроизводимости и т.д.
Однородное - особи одного рода, вида и т.д.
Неоднородное - организмы разных видов в экосистеме.
С о м а т и ч е с к о е - с о в о к у п н о с т ь всех клеток тела, обеспечивает
повсеместность жизни.
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Репродуктивное - вещество воспроизведения, обеспечивает непрерывность жизни.
Автотрофы - фото- (зеленые растения) и гетеротрофы (животные,
грибы, бактерии).
Функции живого вещества
Газовая - миграция газов и их превращения между живым веществом
и атмосферой (фотосинтез, дыхание, деятельность азотфиксирующих
бактерий).
Концентрационная - способность живых о р г а н и з м о в аккумулировать (накапливать) в себе химические элементы из внешней среды
(из почвы, воды, а т м о с ф е р ы ) . О р г а н и з м ы м о г у т а к к у м у л и р о в а т ь
марганец, серу, йод, железо. Это приводит к образованию месторождений полезных ископаемых (известняки, мел), привело к накоплению
кислорода.
Окислительно-восстановительная - осуществление многих химических превращений при помощи живых организмов (например, восстановление С 0 2 до углеводов и окисление их до С 0 2 при клеточном
дыхании).
Энергетическая - аккумуляция солнечной энергии и ее перераспределение между компонентами биосферы.
Деструктивная - связана с разрушениями и гниением продуктов
жизнедеятельности организмов и погибших организмов. Возвращает
органические вещества в почву, минерализуя их затем при участии
микроорганизмов.
Все функции живого вещества проявляются в биогенной миграции
элементов при п о с т о я н н о м притоке энергии (солнечной и энергии
радиактивного распада).
Живое вещество существует в биосфере в форме чередующихся поколений организмов с большой скоростью химических реакций и большей
свободной энергией, чем в неживой природе, представлено организмами
разных видов и существует в сообществах. Благодаря непрерывному
чередованию поколений, современное живое вещество генетически
связано с живым веществом всех прошлых геологических эпох.
Одним из важнейших свойств вещества глобальной экосистемы
является наличие свободной энергии. Время от времени энергия живого
вещества повышается за счет колоссального, поражающего воображение,
скопления организмов (популяционные волны). Такую ситуацию описал
в свое время В.А.Жуковский:
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
"Слышно, как лезут с роптаньем и писком.
Слышно, как стену их лапки скребут.
Слышно, как камень их зубы грызут.
Вдруг ворвались неизбежные звери,
Сыплются градом сквозь окна и двери,
Спереди, сзади, с боков, с высоты..."
Особенное впечатление производят стаи перелетной саранчи, или
азиатской, занимающие пространство в несколько тысяч квадратных
километров. Масса подобных скоплений может достигать несколько
десятков млн. тонн.
Свойством живого является и большое химическое разнообразие.
Известно свыше 2 млн. органических с о е д и н е н и й в составе живого
вещества, тогда как количество природных минеральных соединений
неживого вещества насчитывает лишь около 2 тысяч.
Следующим свойством живого является высокая упорядоченность
химических реакций в нем, протекающих в менее жестких условиях, чем
при получении веществ чисто химическими методами. Живые вещества
производят нечто невероятное в природной среде. Так, жиры и углеводы
окисляются в организме при температуре около 37°С, а вне его - при
400-500°С. В промышленных условиях аммиак получают из молекул
азота и водорода под высоким давлением и при температуре 500°С. В
теле микроорганизмов при участии ферментов эта реакция идет при
обычных температурах и давлении.
Живое вещество стремится заполнить все пространство-"давление
жизни" (В.И.Вернадский). Из существующих не Земле организмов самой
большой силой размножения отличается гриб Дождевик гигантский.
Каждый его экземпляр дает до 7,5 млрд. спор. Если бы каждая спора
давала начало новому организму, во втором поколении объем грибов
превысил бы размеры планеты в 800 раз.
С о в р е м е н н о е в е щ е с т в о является п о т о м с т в о м б ы л ы х б и о с ф е р
благодаря его э в о л ю ц и и - необратимому процессу исторического
изменения живого, его особого свойства.
Устойчивость биосферы создают круговороты веществ и потоки
космической энергии. Круговороты происходят при участии живого
вещества.
Биосфера существует уже 4-5 млрд. лет. Как объяснить этот феномен?
Каким образом конечное количество вещества в границах биосферы
обеспечивает ж и з н ь в т е ч е н и е млрд. лет? Оно приобрело свойства
бесконечности через круговорот веществ, многократно участвующих
в процессах, идущих в геологических оболочках Земли.
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
"Колесо ж и з н и " на планете вращает поток энергии Солнца. Как
быстро? Кислород обращается через живое вещество через 2000 лет, СО,
- за 200-300 лет, вода - за 2 млн. лет.
В процессе фотосинтеза переместились огромные массы химических
веществ - аккумулировалась энергия; неполная обратимость круговорота привела к накоплению в атмосфере биогенного кислорода, в земной
коре накопились элементы и соединения.
Живое вещество постоянно обновляется, однако еще неясно, какое
участие в круговороте веществ принимает биологическое разнообразие
планеты. Тем не менее, бактерии - рекордсмены по способам питания:
авто-, гетеротрофы. Гетеротрофы главные редуценты на планете, возвращающие вещества в круговорот в процессе разложения остатков погибших организмов.
Среди а р х е о ц е а т (сине-зеленых) нет п а р а з и т о в . Они первыми
заселяют вулканические туфы и даже ядерные реакторы; живут на суше,
в океане, в горячих источниках, в шерсти ленивцев.
Среди цианобактерий около сотни могут фиксировать свободный
азот, это около 90% фиксируемого естественным путем (10% связывается
молниями). Цианобактерии, настоящие бактерии и насекомые являются
основными создателями почвы на бесплодных скалах.
Таким образом, доядерные организмы(прокариоты), обладая всеми
способами питания, способны существовать в атмосфере без кислорода
и в почве без соединений азота и поэтому являются первопроходцами в
завоевании безжизненных пространств. Их роль в "колесе жизни" состоит и в создании, и в разрушении(минерализации) органического вещества. Снабжение ядерных организмов (эукариот) азотом почти полностью зависит от прокариот.
У эукариотов в биосфере тоже своя роль
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Растения создают первичную продукцию элементарных экосистем.
"Грибы - проклятое племя, изобретение дьявола, придуманное для
того, чтобы нарушить гормонию природы, с о з д а н н о й богом" (фр.
Ботаник начала XVII в. С.Вейн).
Все - грибы гетеротрофы, редуценты, предваряющие бактерий в
процессе р а з л о ж е н и я о р г а н и ч е с к и х остатков. С о п е р н и ч а ю т с
прокариотами по устойчивости в неблагоприятных условиях.
В ледниках Антарктиды споры грибов находили на глубине в сотни
метров, через 12 тыс. лет они не утратили всхожести.
Растения п е р е м е щ а ю т в е щ е с т в а против стока в вертикальном
направлении, животные - против стока в горизонтальном направлении.
Насекомые перемещают вещества на десятки метров от растения.
Опыляют 87% цветковых растений. Птицы и рыбы перемещают вещества
на километры. Птицы и млекопитающие разносят семена.
В экосистемах пустынь и сухих степей растительноядные млекопитающие полностью перерабатывают 30-40% урожая, выбрасывая во
в н е ш н ю ю среду 10-30% н е п е р е в а р е н н ы х о с т а т к о в . Н а с е к о м ы е
выбрасывают 60-70%. Затем эти остатки минерализуются бактериями,
грибами. Некротрофы убирают трупы. В морских экосистемах животные
регулируют биомассу первичной продукции.
Механизм саморегуляции не позволяет животным уничтожать всю
первичную продукцию - в этом процессе велика роль хищников, их нельзя
убивать бесконтрольно.
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.о., закон биогенной миграции атомов свидетельствует о перемещении химических элементов на земной поверхности и в биосфере при
непосредственном участии живого вещества с о в р е м е н н о й и былых
биосфер.
пример биогенной миграции в круговороте СО
Неживое вещество движется по Земле сверху вниз к морю (ледники,
реки, лавины, осыпи), животные, почва, пески - лишь средства, замедляющие их движение.
Живое вещество - единственный фактор, перемещающий вещества
снизу вверх - из океана на континенты. Животные побережий съедают
столько морской пищи, что восполняют химические элементы, выносимые реками в моря. По масштабам этой работы живое вещество
выполняет на Земле геологические функции.
На планете идут преобразования вещества и энергии, перемещения
огромных масс химических элементов, перераспределение энергии.
Биогенная миграция атомов обеспечивает непрерывность жизни при
конечном количестве вещества и постоянном притоке солнечной энергии.
Исходя из значимости живого в круговороте веществ, становится понятной опасность обеднения его. К середине следующего века биосфера
может лишиться половины ныне живущих видов. Сохранить биологическое разнообразие могут только специальные и экстренные меры.
Таким образом биосфера, - глобальная централизованная (в центре
ее живое вещество), открытая (связана с космосом), саморегулирующаяся
(через организованность и гомеостаз сама справляется с катаклизмами
типа вулканической деятельности, землетрясений, астероидов, горообразования) система, существование которой подчиняется закону Jle
Шателье-Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в направлении, при
котором эффект этого воздействия ослабляется.
И лишь человек, нарушая своим вмешательством гомеостаз планеты,
может привести ее к экологическому кризису.
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лекция 16 АНТРОПОГЕНЕЗ
1. Теории антропогенеза.
2. Доказательства животного происхождения человека.
3. Этапы антропогенеза.
4. Биологическое и социальное в человеке.
1. Каждого человека, как только он начинал осознавать себя личностью, посещал вопрос "откуда мы взялись". Несмотря на. то, что вопрос
звучит абсолютно банально, - единого ответа на него не существует. Тем
не менее, этой проблемой - проблемой возникновения человека - занимается наука антропология, которая и выделяет такое понятие, как
антропогенез - процесс выхода человека из: мира животных.
Вопрос о происхождении человечества интересовал людей всегда.
Попытки объяснить собственное появление на Земле отражены в легендах и мифах разных народов. Однако научное объяснение эта проблема
могла получить лишь на основании теории эволюции.
В X V I I I в. Карл Л и н н е й б у д у ч и с т о р о н н и к о м б о ж е с т в е н н о г о
происхождения человека, тем не менее, отнес его к классу млекопитающих, отряду приматов вместе с обезьянами и лемурами.
Начало XIX в. Жан-Батист Ламарк предложил первую научную
гипотезу происхождения человека от древних человекообразных обезьян,
в результате их перехода к прямохождению. Из-за гонений церкви позже
он отказался от своей гипотезы.
Середина XIX в. Чарлз Дарвин, считая, что происхождение человека
от древних обезьян связано с естественным отбором, первый обратил
внимание на влияние социальных факторов на эволюцию людей.
Э в о л ю ц и о н н а я теория а н т р о п о г е н е з а имеет обширный набор
доказательств - палеонтологических, археологических, биологических,
генетических, бихевиорных (поведенческих), культурных, психологических и др. Однако многие из этих* доказательств могут трактоваться
неоднозначно, что и позволяет противникам эволюционной теории
оспаривать её.
Теория творения (креационизм) утверждает, что человек сотворен
Богом, богами или божественной силой из ничего или из какого-либо не
биологического материала. Наиболее известна библейская версия по
которой первые люди - Адам и Ева были сотворены из глины. Эта версия
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
имеет более древние египетские корни и ряд аналогов в мифах других
народов. Разновидностью теории творения можно считать также мифы
о превращении животных в людей и о рождении первых людей богами.
Ортодоксальная теология считает теорию творения не требующей
доказательств. Тем не менее, выдвигаются различные доказательства
этой теории, важнейшее из которых - сходство мифов и легенд разных
народов, повествующих о сотворении человека.
С о в р е м е н н а я т е о л о г и я привлекает для д о к а з а т е л ь с т в а теории
творения новейшие научные данные, которые, однако, в большинстве
своем не противоречат и теории эволюции.
Некоторые течения современной теологии сближают креационизм
с теорией эволюции, полагая, что человек произошел от обезьяны путем
постепенного видоизменения, но не в результате естественного отбора,
а по воле Бога или в соответствии с божественной программой.
Согласно теории внешнего вмешательства (ТВВ), появление людей
на Земле так или иначе связано с деятельностью иных цивилизаций.
В п р о с т е й ш е м в а р и а н т е ТВВ считает л ю д е й п р я м ы м и потомками
инопланетян, высадившихся на Землю в доисторическое время.
Более сложные варианты данной теории предполагают:
а) скрещивание иномирян с предками людей;
б) порождение человека разумного методами генной инженерии;
в) создание первых людей гомункулярным способом;
г) управление э в о л ю ц и о н н ы м развитием земной жизни силами
внеземного сверхразума;
д) эволюционное развитие земной жизни и разума по программе,
изначально заложенной внеземным сверхразумом.
Существуют и иные в разной степени фантастические гипотезы,
связанные с теорией внешнего вмешательства.
Последователи теории пространственных аномалий трактуют
антропогенез как э л е м е н т развития устойчивой пространственной
аномалии - гуманоидной триады "Материя - Энергия - Аура", характерной для многих планет Земной Вселенной и её аналогов в параллельных
пространствах. Эта теория предполагает, что в гуманоидных вселенных
на большинстве пригодных для жизни планет, биосфера развивается по
одному и тому же пути, запрограммированному на уровне Ауры - информационной субстанции.
При наличии благоприятных условий этот путь приведет к возникновение гуманоидного разума земного типа.
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В целом трактовка антропогенеза в этой теории не имеет значительных расхождений с эволюционной, однако, признает существование
определенной программы развития жизни и разума, которая наряду со
случайными факторами управляет эволюцией.
2. Итак, вернемся к первой теории, по которой антропогенез —
процесс выделения человека из мира животных - имеет ряд неоспоримых
доказательств, тех же, что и для эволюции в целом:
1) палеонтологические - ископаемые остатки промежуточных форм
позволяют проследить, как постепенно шло формирование человека
современного типа;
2) анатомо-морфологические - общий план строения систем органов
у человека тот же, что и у других млекопитающих; на общее происхождение с животными указывает и наличие гомологов - органов, сходных, по строению, эмбриональному развитию, иннервации, кровоснабжению (крыло летучей мыши, передняя лапа кошки, крыло птицы,
рука человека); следует отметить, что аналоги (крыло бабочки и крыло
птицы), являясь результатом конвергенции, доказательством эволюции
быть не могут; наличие рудиментов как остатков предковых органов
(аппендикс, копчик, третье веко и др.) и атавизмов как явления возврата
к предкам (хвостик, когтепалость, увеличение клыков, полимастия) также
совсем не случайно у современного человека;
3) биохимические доказательства - строение многих ферментов
у человека и человекообразных обезьян практически одинаково;
4) эмбриологические - зародыши всех п о з в о н о ч н ы х на ранних
стадиях развития удивительно схожи между собой, так как в это время
они повторяют в сокращенном варианте эволюционный путь, пройденный их предками - Биогенетический закон Геккеля-Мюллера (у эмбриона
человека сначала закладываются двухкамерное сердце, жаберные дуги,
хвостовая артерия как у рыб, потом плавательные перепонки между
пальцами, как у амфибий, полушария мозга сначала гладки, как у низших
млекопитающих и т.д.).
Объективным доказательством естественности появления на Земле
человека является и его таксономическое положение в системе органического мира.
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Биологическая классификация человека
Таксон
Тип хордовые
Подтип позвоночные
Класс млекопитающие
| Подкласс плацентарные
I Отряд приматы
1
Надсемейство узконосые
Семейство гоминиды (пюпи)
Род - человек
Вид - разумный
Характерные признаки
1. Биллатеральная (двубоковая) симметрия
2. В эмбриональном развитии закладываются
хорда, жаберные щели
3. Нервная трубка закладывается на спинной
стороне
1. Хорда заменяется позвоночным столбом
2. Развивается скелет, как у позвоночных
3. Сердце закладывается на брюшной стороне
1. Живорождение
2. Вскармливание детенышей молоком
3. Наличие волосяного покрова, млечных,
сальных, потовых желез
4. Теплокровность
1. Развитие плода в теле матери и питание
его через плаценту
1. Конечности хватательного типа
2. Одна пара сосков
3. Рождение как правило одного детеныша
1. Редукция хвоста
2. Наличие аппендикса
3. Большое количество извилин коры больших
полушарий головного мозга
4. Наличие мимической мускулатуры
1. Умение изготавливать орудия труда
1. Общественный образ жизни
2. вторая сигнальная система
3. Альтруизм (забота о малых и старых)
Таким образом, семейство- гоминид в настоящее время представлено
одним видом H o m o sapiens.
Наибольшее сходство человек имеет с человекообразными
о б е з ь я н а м и и, в ч а с т н о с т и , с ш и м п а н з е . У о б е з ь я н т а к и е же г р у п п ы крови,
как у л ю д е й , о н и с т р а д а ю т б о л е з н я м и , с в о й с т в е н н ы м и и с к л ю ч и т е л ь н о
человеку (гипертония, атеросклероз, рак, сифилис), а теперь стало
известно, ч т о и С П И Д о м . П р о д о л ж и т е л ь н о с т ь б е р е м е н н о с т и у ш и м п а н з е
и г о р и л л ы т о ж е о к о л о 9 месяцев, д е т е н ы ш е й о н и в с к а р м л и в а ю т м о л о к о м
около года.
М е т о д м о л е к у л я р н о й г и б р и д и з а ц и и п о з в о л и л в ы я в и т ь ( 7 0 - е гг.
С Ш А ) 9 9 % г е н о в , о б щ и х д л я человека и ш и м п а н з е , п р и ч е м при 24-х парах
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
хромосом у последних (у человека их 23 пары), 13 пар у тех и других
практически одинаковы.
Но, в отличие от обезьян, человек обладает высокоразвитым мозгом,
членораздельной речью и рядом анатомических особенностей, связанных
с трудовой деятельностью.
Отличия человека от животных
В чем проявляются
Чем обусловлены
Прямохождение
Трудовая деятельность
Развитие умственной деятельности
и сознания
S-образный изгиб позвоночника;
куполообразный свод стопы
(амортизация при ходьбе, беге
и прыжках)
Подвижная кисть;
противопоставление большого пальца
руки остальным;
большая длина правой руки по
сравнению с левой (v 75% людей)
Увеличение массы и поверхности
больших полушарий мозга;
развитие органов речи и второй
сигнальной системы
3. Предками людей, по-видимому, могли быть дриопитеки. Эти древесные обезьяны появились на Земле 17-18 млн. лет назад и вымерли
около 8 млн. лет назад. Они имели передние конечности, приспособленные к лазанью по деревьям и добыванию пищи, относительно большой головной мозг с высоким развитием двигательных отделов. При
похолодании климата тропические леса отступили к югу, образовались
саванны и древесные обезьяны расселились по разным местам обитания.
Одни остались в тропических лесах и дали начало современным
обезьянам, Другие перешли на открытые пространства, где они вынуждены были вставать на задние конечности для обозревания местности.
Со временем такое положение закрепилось естественным отбором,
освободило передние конечности от передвижения и позволило использовать их для манипуляций при добывании пищи, для ухода за детенышами и т.д. Все это вело к развитию кисти руки, которая стала способна
выполнять множество различных действий, что могло стать преадаптацией к развитию в дальнейшем трудовой деятельности.
Увеличение разнообразия движений потребовало более совершенной центральной регуляции - развиваются мозг и кора его больших
полушарий.
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Давление отбора в меняющихся условиях существования шло в
пользу выживания особей с признаками, способствовавшими совершенствованию прямохождения, функций верхних конечностей и познавательной активности. Естественный отбор сохранял признаки, способствующие усилению совместного поиска добычи, защиты от хищников,
заботе о потомстве, что содействовало развитию стадности, как ступени
к возникновению социальности. Осуществление взаимодействия между
особями требовало развития речи, а развитие мозга создало для этого
необходимые предпосылки.
Таким образам, п р е в р а щ е н и е обезьяны в ч е л о в е к а обусловили
следующие факторы:
- переход к прямохождению - освободились передние конечности;
- совершенствование верхних конечностей - разнообразие движений
привело к развитию мозга;
- употребление в пищу мяса - увеличению больших полушарий мозга
с п о с о б с т в о в а л о п о с т у п л е н и е а м и н о к и с л о т , н е о б х о д и м ы х для его
формирования.
Накопленные в настоящее время научные данные позволяют считать
"колыбелью человечества" Северо-Восточную Африку. Хотя некоторые
исследователи до сих пор отстаивают Южную Азию, в пользу африканской гипотезы говорят такие факты:
1. В Африке в настоящее время живут антропоморфные обезьяны,
из всех приматов наиболее близкие человеку.
2. В Южной Африке обнаружены остатки существ, которые по всей
вероятности, были двуногими и по строению передних зубов и всего скелета, в целом обладали исключительно большим сходством с человеком.
3. Дифференциации высших приматов, выработке у них. разных
типов локомоций и превращение каких-то групп двуногих наземных
антропоморфных в древнейших людей должны были благоприятствовать очень большая величина африканского континента и разнообразие его ландшафтов.
4. Данные о телантропе позволяют предполагать, что в Южной
Африке в начале плейстоцена существовали формы, еще более близкие
человеку, чем австралопитеки.
5. Новейшие открытия показали, что находки типа рамапитека, т.е.
кениапитека, в Африке древнее, чем в Сиваликских холмах, кроме того,
такие формы, как homo habilis и чадантроп являются более прогрессивными, чем австралопитеки.
6. В древних слоях Олдувайского ущелья был обнаружен и питекантроп, первые остатки которого нашел Эжен Дюбуа на о.Ява.
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основные стадии эволюции человека
1. Время последовательного существования антропоидных предков
человека (австралопитек).
2. Д р е в н е й ш и е люди - питекантроп (древнейший человек) или
архантроп.
3. Неандертальцы или древние люди (палеантропы).
4. Современные люди (неоантропы).
Древнейший из предков человека - рамапитек известен только по
нескольким зубам и фрагментам челюсти, возраст которой определяется
в 9-14 млн.лет. Неизвестно, был ли он прямоходящим.
Начальные стадии антропогенеза относят к 2,5 - 3 млн. лет назад к
появлению австралопитека африканского, который был прямоходящим,
обладал развитым мозгом и изготавливал орудия труда. Однако часть
современных специалистов не считает какую-либо из. известных разновидностей австралопитеков прямым предком современных людей, а
полагает, что это были тупиковые боковые ветви эволюции, а, следовательно, архантропы лишь имели с австралопитеками общего предка.
К древнейшим людям (архантропам) относятся различные разновидности человека прямоходящего (Homo erectus) питекантропы, синатропы, гейдельбергский человек, жившие приблизительно 1,6 - 0,65 млн.
лет назад. Следующим был человек умелый ( H o m o habilis) - промежуточный между архантропами и современными людьми. Судя по местам
находок их останков, основной регион обитания древнейших, людей
располагался в Африке и Юго-Восточной Азии.
Совершенствование орудий труда и развитие человека привели
к следующему этапу антропогенеза, представленному современными
людьми (Homo sapiens). Этот тип людей включает всего два подвида:
неандертальцы (Homo sapiens neanderthalensis), появившиеся 250-200 тыс.
лет назад, и люди современного морфологического облика (Homo sapiens
sapiens), появившиеся около 40-35 тыс. лет назад.
Неандертальцы жили 250-40 тыс. лет назад во время ледникового
периода. Эти люди были широко расселены по Земле, жили в разных
природных условиях и делились в антропологическом отношении на
разные группы, но эти группы не соответствовали современным расам.
Считали, что от одной из групп неандертальцев в последующем и произошли люди современного типа, однако в настоящее время их рассматривают, как своеобразную боковую ветвь ( H o m o sapiens). На Дону и
Северном Кавказе появление людей связано как раз с неандертальцами.
Переход человеческого общества к верхнему палеолиту (35-10 тыс.
лет назад) с о в п а л с з а в е р ш е н и е м а н т р о п о г е н е з а - ф о р м и р о в а н и е м
человека современного физиологического типа. Первые из этих людей
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
представлены кроманьонцами (по стоянке неоантропов в Кро-Маньоне:
Франция).
Родиной современного человечества была, скорее всего, Передняя
Азия с прилегающими областями. Около 20 тыс. лет назад современные
люди широко расселились по территории Европы, Азии и Африки.
У к р о м а н ь о н ц е в р а з в и л а с ь ч л е н о р а з д е л ь н а я речь, п о я в и л о с ь
изобразительное искусство, высокого у р о в н я д о с т и г л а технология
обработки камня, ш и р о к о использовались рог и кость, а на смену
первобытному стаду пришла новая форма организации человеческого
общества.
Х а р а к т е р н ы е п р и з н а к и наших п р е д к о в могут быть сведены к
следующему:
Этапы развития человека
Характерные тризнаки
Объем Рост Внешний вид
мозга
(см)
(см3)
Развитие
речи
700-250
тыс. лет
назад
9001400
160
отсутств
иеречи
150-100
тыс. л.н.
12001700
155165
40-25
тыс. л.н.
16001800
180
Этапы
антропогенеза
Жили на
Земле
Древнейшие
люди
(питекантроп,
синантроп)
; Древние люди
| (неандертальцы)
Новые люди
(кроманьонец)
153
покатый лоб,
массивные
челюсти,
отсутствие
подбородочного выступа
низкий
скошенный
лоб, большой
надглазничный валик,
слаборазвитый
подбородок
преобладание
мозговой
части черепа
над лицевой,
валика
надглазничного нет,
развит
подбородочный выступ
Предмет
материальной
культуры
грубые
каменные
рубила
зачаточная речь
изделия
из рога,
камня,
кости
членораз
дельная
речь
орудия
труда,
украшения,
рисунки,
скульптура
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Природа человека двойственна и включает в себя и биологическое
и социальное. П р о б л е м а с о о т н о ш е н и й этих д в у х н а ч а л является
центральной для м н о г и х наук - о б щ е й и с п о р т и в н о й м е д и ц и н ы ,
педагогики. Тренер в практической деятельности должен учитывать эту
д в о й с т в е н н у ю п р и р о д у человека - н е в о з м о ж н о п о д г о т о в и т ь
квалифицированного спортсмена чисто педагогическими методами, без
учета б и о л о г и ч е с к и х о с н о в спортивной т р е н и р о в к и , а без учета
с о ц и а л ь н ы х сторон его жизни у ч е б н о - т р е н и р о в о ч н ы й процесс
превращается в дрессировку.
Возникнув в процессе эволюции под воздействием законов, общих
для всех живых организмов, человек, как и все живые существа, нуждается
в пище, кислороде, растет, стареет, умирает. Его тело - объект изучения
биологических наук. Но просто человеческое тело, организм - это еще
не человек в социальном смысле. Ребенок, изолированный от остальных
людей, не научится говорить, его мышление не разовьется. Только живя
в обществе, то есть, в социальной среде человек становится "человеком",
и изучать его с позиций только биологических наук невозможно.
Особые, не связанные с генетическими механизмами, формы связей
между поколениями - преемственность традиций, культуры, науки,
знаний, - развивающиеся благодаря речи и письменности, не исчезают
со смертью человека, а вливаются в общечеловеческую культуру.
На первых этапах эволюции гоминид решающие значение имел
отбор на адаптацию к быстро меняющимся условиям среды. Со временем
способность человека хранить и передавать следующим поколениям
накопленный им объем научной, технической, культурной информации
все более выводила его из под контроля естественного отбора и усиливала
зависимость от общества. Именно в этом и заключается качественное
отличие человека от других организмов и своеобразие его положения в
природе. Б и о л о г и ч е с к и е задатки - необходимое, но недостаточное
условие формирования нормальной психики людей, их социальных
отношений, а значит и возможности жить в обществе себе подобных.
Современное человечество представлено тремя основными расами:
европеоидной, монголоидной и негроидной. Расы - это большие группы
людей, отличающихся чертами лица, формой, цветом волос, глаз и кожи.
Для к а ж д о й р а с ы х а р а к т е р н о е д и н с т в о п р о и с х о ж д е н и я и
формирования на определенной территории. Так, к европеоидной расе
относится к о р е н н о е н а с е л е н и е Е в р о п ы , Ю ж н о й А з и и и Северной
Африки. Е в р о п е о и д ы и м е ю т узкое лицо, сильно выступающий нос,
мягкие волосы. Цвет кожи у северных европеоидов светлый, у южных преимущественно смуглый.
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К монголоидной расе относится коренное население Центральной
и Восточной. Азии, Индонезии, Сибири. Монголоиды отличаются крупным плоским и широким лицом, узким, разрезом глаз, жесткими прямыми: волосами, смуглым цветом кожи.
В негроидной расе выделяют две; ветви - африканскую и австралийскую. В целом для негроидной расы характерны темный цвет кожи,
курчавые волосы, темные глаза, широкий плоский нос.
В образовании рас сыграли роль три фактора:
1) мутации (изменение цвета кожи, строение волос, носа, разрез глаз);
2) естественный отбор (поддержал полезные мутации);
3) географическая изоляция (ведущий фактор).
Расовые, особенности наследственны, но в настоящее время они не
являются видообразующим фактором. По-видимому, в далеком прошлом они были полезны для их обладателей: темная кожа негров и курчавые волосы, создающие вокруг головы воздушный слой, предохраняли организм от действия солнечных лучей, форма лицевого скелета
монголоидов с более широкой носовой полостью, возможно, является
полезной для обогрева холодного воздуха перед его попаданием в легкие.
Однако биологические особенности людей разных рас не определяют
уровень их способностей к познанию, творческой и вообще трудовой
деятельности, который, зависит лишь от социальных условий развития
общества. Именно недопонимание этого последнего положения и привело к поискам переходных форм, связывающих человека с животными,
среди современных народов, что, в свою очередь, стало поводом для
развития расовой дискриминации, эксплуатации и прямого геноцида
многих народов. Сначала Европа и Америка в своих попытках покорить
африканские и азиатские народы объявили высшей белую расу. Позднее
гитлеровские полчища, шагая по Европе и уничтожая в лагерях смерти
пленных, высшей объявили арийскую расу, причисляя к ней только
германские народы.
Несостоятельность расизма доказана современным расоведением наукой о расах. Данные этой науки свидетельствуют, что различий между
расами в настоящее время недостаточно чтобы считать их разными биологическими видами людей, а метисация (межрасовые браки) происходит
постоянно, сглаживая межрасовые различия.
Исчезнут ли расы? Главное условие их существования - изоляция.
Она в какой-то степени существует и сегодня в Африке, Азии, Европе.
Однако в межрасовых браках смешение рас неизбежно, что, по-видимому, рано или поздно приведет к образованию единой гибридной популяции людей.
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выводом по данной лекции может быть следующее: многообразие
живого на Земле - результат эволюции, на каком-то из её витков на планете появился человек. Факторами его появления были те же, что и в целом в природе: наследственная изменчивость (мутации), популяционные
волны, изоляция, естественный отбор. Возникновение общества и независимость человека от окружающей, природы привели к тому, что для
него отбор перестал быть фактором э в о л ю ц и и , и его с о б с т в е н н а я
эволюция прекратилась.
Теперь признаки Человека разумного поддерживает только стабилиз и р у ю щ и й отбор. У с т р а н я ю т с я особи с и з м е н е н н ы м к о л и ч е с т в о м
хромосом, сохраняются генотипы, устойчивые к заболеваниям. Отбор
перестал быть регулятором численности человеческих популяции, и идет
постепенное сужение сферы его действия в силу создания культурной
среды. О д н а к о б и о л о г и ч е с к о е р а з в и т и е с о в р е м е н н о г о ч е л о в е к а
п р о д о л ж а е т с я . На п р о т я ж е н и и с о в р е м е н н о й г е о л о г и ч е с к о й э п о х и
(голоцена) прослеживаются некоторые проявления так называемой
"эволюции утрат", выражающейся, например, в ослаблении челюстного
аппарат,, зубной системы, а также в эпохальных сдвигах - серии разнонаправленных изменений размеров тела массивности скелета, формы головы,
темпов развития (акселерации), структуры заболеваемости и многих
других. Н е я с н о , н а с к о л ь к о эти п р о ц е с с ы з а т р а г и в а ю т г е н о ф о н д
человечества, так как на них влияют многие общие и локальные, биологические и социальные факторы во всем их взаимодействии. Ослабление
действия е с т е с т в е н н о г о отбора иногда о ц е н и в а ю т как ф а к т о р ,
угрожающий человеческому генофонду деградацией - уже сейчас из-за
накопления вредных мутации (генетического груза) возросла частота
наследственных заболеваний и аномалий. Вместе с тем, рост численности
населения Земли при его усиливающихся миграциях и метисации исключают п р о я в л е н и я м у т а ц и о н н о г о процесса как фактора дальнейшей
биологической эволюции человека.
Возможность направленного воздействия человека на собственный
генетический материал становится вполне реальной, перерастая из
проблемы медико-технологической в социально-этическую, так как
затрагивает теперь коренные религиозно-нравственные основы
современного общества.
Перестала быть фактором эволюции человека и борьба за существование в дарвиновском "понимании, так как жизнь людей в обществе
определяют труд, культура, спорт, экономическое благополучие и социальные отношения.
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Однако из современных, научных течений - социальный дарвинизм
- несостоятельно в силу того, что попытки перенести законы развития
дикой природы на общество людей не имеют оснований - люди живут
по своим, социальным законам.
Трудно сказать, каким станет человек будущего. Современная экономическая, экологическая ситуации напрямую о п р е д е л я ю т здоровье,
наследственность новых поколений. Рождение больных, ослабленных,
интеллектуально отсталых детей - далеко не самое лучшее, что формирует
это новое поколение.
Внешне человек не должен измениться, так как в человеческих популяциях нет естественного отбора на видообразование. Должен "поумнеть" - к этому ведет развитие науки и техники. Остается только надеяться, что люди, наконец-то, займутся серьезно вопросами сохранения Земли
и жизни на ней во имя жизни.
Лекция 17. НООСФЕРА. ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
1. Ноосфера - современное состояние биосферы.
2. Роль антропогенного фактора в развитии биосферы.
Охрана окружающей, среды и рациональное природопользование одна из актуальных, проблем современности. Ее решение неразрывно
связано с борьбой за мир на Земле, за предотвращение ядерной катастрофы, мирное с о с у щ е с т в о в а н и е и взаимовыгодное сотрудничества
государств с различными социально-экономическими системами.
В середине XX в. люди со всей очевидностью осознали, что наш
космический дом - планета Земля не такая уж и большая: космические
корабли облетают её всего за 17 минут. Варварское отношение к природе,
нарушение с л о ж и в ш и х с я за миллионы лет в з а и м о с в я з е й , высокий
уровень загрязнения, особенно в крупных городах практически всех
стран, смоговые катастрофы, уносящие жизни сотен людей, угроза термоядерной войны, если её не предотвратить, вселяют в сердца многих
тревогу, заставляют задуматься о том, что же ждет нас уже не в отдаленном, а в ближайшем будущем.
Важнейшим принципом современной проблемы охраны окружающей среды должен стать отказ от наивного антропоцентризма и переход
к системе взглядов, построенной биоцентристски - приоритет необходимо
отдать не социально-экономическим факторам, а природным. Человек
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
остается конечной целью такого подхода, но лишь через сохранение
п р и р о д н о й среды своего с у щ е с т в о в а н и я . Такая о п о с р е д о в а н н о с т ь
вызвана острой практической потребностью, порожденной новой ролью
человека на планете.
Новая роль человека на планете определяется уровнем его экологической культуры через экологическую этику. Акцентируя внимание
на проблемах биосферы, она создает предпосылки действий, сохраняющих и человеческое, и природное бытие. К р о м е т р а д и ц и о н н ы х
нравственных отношений типа "человек - человек", " человек - общество"
экологическая этика включает и отношения типа "человек -природа",
при которых забота о настоящем должна стать основой существования
будущих поколений.
В г е о л о г и ч е с к о й и с т о р и и Земли б и о с ф е р а , по у т в е р ж д е н и ю
В.И.Вернадского, перешла в новое состояние - в ноосферу под воздействием новой геологической силы - научной мысли человечества.
На вопрос "ноосфера утопия или реальность как стратегия выживания?" позволяет ответить анализ конкретных условий, необходимых
для становления и существования ноосферы, представленных в трудах
Вернадского.
Эти условия:
1) заселение человеком всей планеты;
2) резкое преобразование средств связи и обмена между странами;
3) усиление связей (экономических, политических и др.) между всеми
странами Земли;
4) преобладание геологической роли человека над природными
геологическими процессами;
5) расширение границ биосферы с выходом в космос;
6) открытие новых источников энергии;
7) установление равенства людей всех рас и религий;
8) усиление роли народных масс в решении вопросов внешней и
внутренней политики;
9) освобождение научной мысли и научных поисков от давления
религиозных, философских и политических сил и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободы развития науки;
10) создание системы народного образования и условий подъема,
благосостояния людей с возможностью не голодать, не нищенствовать
и не болеть;
11) разумное преобразование первичной природы Земли с целью
создания условий для удовлетворения материальных, эстетических,
духовных потребностей численно возрастающего населения;
12) исключение войн из жизни общества.
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как же выполняются эти условия?
1. Заселение человечеством всей планеты практически закончено.
На Земле нет ни одного места, где бы не ступала нога человека даже
в Антарктиде.
2. Резкое преобразование средств связи и обмена между странами
нашло свое воплощение сначала в средствах телекоммуникации типа
телеграфа, телефона, радио, телевидения. Затем с легкой руки Управления передовых исследований Министерства Обороны США появилась
сеть ARPnet исключительно для военных нужд, а потом и Интернет (конец
80-х годов) сеть, к которой подключились научные организации и научные фонды всего мира. Об этом в свое время Вернадский говорил: "Ход
научной м ы с л и . . . , как давно замечено, совершенно аналогичен ходу
размножения организмов - идет тоже в геометрической прогрессии".
Теперь не только исследователи, государственные служащие, подрядчики, но практически и любой желающий имеют доступ к этой сети.
3. Выполняющимся можно считать условие усиления политических
и других связей между странами. С 1919 по 1946 год существовала Лига
наций. Более устойчивой и действенной стала Организация Объединенных наций (ООН), возникшая после второй мировой войны.
4. Преобладание геологической роли человека над природными
процессами проявляется в том, что уже сейчас объем горных пород, извлекаемых им из недр Земли, превышает почти в два раза объем всех лав
и пеплов выносимых ежегодно всеми её вулканами (587 действующих).
5. С б ы л о с ь и предсказание Вернадского о расширении границ
биосферы. Этот процесс начался с выхода растений и животных из океана
на сушу, заселения её высокими деревьями птицами, насекомыми, летающими ящерами. Продолжается он и по мере освоения человеком пока
ещё ближнего космоса.
6. О т к р ы т и е н о в ы х и с т о ч н и к о в э н е р г и и к с о ж а л е н и ю сопровождается трагическими последствиями. Атомная энергия давно освоена
и в мирных, и в военных целях, однако человечество (политики) явно не
готово ограничиться мирными целями. Могущество нового источника
энергии оказалось сомнительным и ядерный потенциал поддерживается
лишь чувством взаимного страха и стремления каждой из владеющих
им стран к зыбкому превосходству. Новый источник энергии пришелся
не ко времени и попал не в те руки.
7. Равенству людей всех рас и религий способствовало разрушение
в конце прошлого века колониальных империй и человечество сейчас
на пути к его достижению.
8. Во в с е х с т р а н а х с п а р л а м е н т с к о й формой правления люди
пытаются решать вопросы внешней и внутренней политики.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9. Свобода научной мысли и научного поиска в нашей стране долгое
время была б о л е е чем п р о б л е м а т и ч н о й . Т е п е р ь же, когда наука
освободилась от каких-бы то ни было давлений, из-за сложившегося
экономического положения ученые вынуждены зарабатывать на жизнь
либо далеко не научным трудом, либо уезжая за границу. Создаются
международные фонды поддержания российской науки, однако пока
Россия далека от многих развитых и даже развивающихся стран (напр.
Индии), где государственный и общественный строй создают режим
максимального благоприятствования развитию науки.
10. Настоящее экономическое положение, по-видимому, можно
рассматривать как явление временное и преходящее. Об этом тоже писал
Вернадский, как о неизбежном состоянии при переходе от биосферы к
ноосфере. Тем не менее, трудно говорить о продуманной системе народного образования, возможности не жить в голоде и нищете применительно к настоящему уровню жизни в России.
11. Р а з у м н о е п р е о б р а з о в а н и е п е р в и ч н о й п р и р о д ы Земли для
нормального существования человека не возможно без экологизации
сознания. Современная интеграция наук на основе научного знания на
Западе работает на уровне государственных механизмов регулирования
экологических проблем ("зеленые" уже изжили себя). В России до 80-х
годов считалось, что социалистическое хозяйствование препятствует
угрозе экологического кризиса. В настоящее время из-за экономических
проблем экологические ушли на задний план, хотя их актуальность
очевидна, а м и ф об э к о л о г и ч е с к о й э к о н о м и к е д а в н о развеялся.
Необходимо решение проблем сохранения живого и в каждой отдельной
стране, и в глобальных масштабах Земли общими усилиями всех на ней
живущих.
12. Исключение войн из жизни общества, что Вернадский считал
чрезвычайно в а ж н ы м для существования ноосферы, также проблематично и до сих пор неясно будет ли это условие выполнено. Мировое
сообщество стремится не допустить новой мировой войны, но локальные
войны уносят и уносят многие жизни.
Таким о б р а з о м , н а л и ц о явление п е р е х о д а б и о с ф е р ы в сферу
разумной жизни - ноосферу. Однако никто не в состоянии точно назвать
момент завершения этого процесса. Замечая нежелательные, разрушительные последствия хозяйствования человека на Земле, Вернадский
считал их некоторыми издержками, веря в человеческий разум, гуманизм
научной деятельности, торжество добра. Необходимы усилия всех людей
в создании и поддержании условий собственного существования на
нашей маленькой планете в её новом состоянии - ноосферном - как идеале
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
разумного собственного вмешательства в биосферные процессы под
влиянием научных достижений.
2. Как один из факторов существования н о о с ф е р ы человек не
является самодостаточным существом, живущим по своим законам, он
существует внутри природы, являясь частью ее и ее новой геологической
силой. Следует отметить, что этой силой является вовсе не сам конкретный человек, а его разум, научная мысль всего человечества.
Перестройка окружающей среды научной человеческой мыслью
посредством организованного труда вряд ли является стихийным процессом. Корни его лежат в самой природе и были заложены миллионы
дет назад в естественном процессе эволюции. Заселяя все уголки планеты,
человек создал в биосфере новую биогенную силу, поддерживающую
размножение и дальнейшее заселение различных ее частей. Вместе с расширением области жительства человечество стало представлять из себя
все более с п л о ч е н н у ю массу, а средства п е р е д а ч и м ы с л и теперь,
окутывают весь земной шар.
Впервые осознав, что он житель планеты и может и должен мыслить
и действовать не только в аспекте отдельной личности, семьи или рода,
государств или их союзов, но и в планетном аспекте, человек понял, что
он неразрывно и з а к о н о м е р н о связан с этой п л а н е т о й , уйти из ее
биосферы он не может. Его существование есть ее функция, он неизбежно,
закономерно, непрерывно изменяет эту биосферу.
Результат этих изменений на планете дал повод французскому
геологу Тейяр де Шардену заключить, что в настоящем - ноосферном
состоянии биосферы человек представляет новую геологическую силу.
С точки зрения ноосферного подхода по иному видятся современные
болевые точки развития мировой цивилизации. Варварское отношение
к природе, угроза мировой экологической катастрофы, производство
средств массового уничтожения - все это должно быть преходящим.
Необходим поворот к истокам жизни, к организованности биосферы,
чтобы мыслить и действовать в глобальном планетном аспекте.
Учение о ноосфере - это не только научная позиция, но и предостережение человечеству. Именно оно определяет дальнейших ход эволюции
природы, являясь частью, оно не может существовать вне ее, а значит
должно принять на себя всю ответственность за дальнейший ход этой
эволюции, да и будущность самой цивилизации.
Н а у ч н о - т е х н и ч е с к а я р е в о л ю ц и я порождает н е в и д а н н ы е ранее
возможности для эксплуатации сил природы, а вместе с тем и для ее
загрязнений, разрушения, уничтожения. За последние 100 лет люди
увеличили в 100 раз скорость перемещений, в тысячу раз - энергетические
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ресурсы и в миллион раз - мощность военного оружия. Рост объема товаров и услуг неизбежно ведет к росту количества отходов хозяйственной
деятельности, засоряющих и отравляющих атмосферу, почву, водоемы.
Еще, Ф.Энгельс писал: "Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит...".
Антропогенный характер воздействия на природу в корне отличается от простого биогенного тем, что:
1) разум человека позволяет эксплуатировать природу при использовании орудий труда, которые во много раз усиливают его воздействие
на окружающую среду;
2) антропогенный фактор воздействия на природу по мере совершенствования орудий труда сопровождается нарастанием давления на нее:
прямого (экстенсивного) и по числу захвата сфер (интенсивного);
3) ускорение развития человечества не позволяет природе восстанавливать равновесие в новых условиях;
4) возрастает использование человеком веществ природы;
5) человек целенаправленно меняет биоценозы отдельных регионов,
ландшафты, растения, животных;
6) н е п р е д с к а з у е м ы
масштабы побочных, непредвиденных
последствий человеческой деятельности.
Человеческий организм физически зависит от з е м н ы х условий,
включающих наиболее важные компоненты биосферы такие, как воздух,
воду, климат, ресурсы.
Народная мудрость не ошибается в поговорке - необходим как
воздух. Без пищи человек может прожить 5 недель, без воды - 5 дней, без
воздуха - 5 минут.
Более п о л о в и н ы в с е г о к и с л о р о д а на Земле п о с т а в л я е т флора
(остальное - фитопланктон). За последние 500 лет люди истребили две
трети покрывающих сушу лесов. Дождевой тропический лес - один из
главных поставщиков кислорода - уничтожен уже на 40% площади,
и вырубка его идет со скоростью 30 га/мин. Если этот процесс будет
продолжаться с такой же скоростью, через 40-50 лет Земля лишится своих
главных "легких". Количество кислорода в атмосфере ежегодно уменьшается на 10-12 млрд. т, а углекислого газа - повышается на 10-12%. Лет
через 150 вследствие нарушения баланса кислорода доля его в атмосфере
может достигнуть критического предела.
В настоящее время кислород "съедают" машины: их количество
увеличивается в мире в 5 раз быстрее, чем население планеты. Реактивный
самолет при перелете из Америки в Европу сжигает до 100 т, а производят
это количество кислорода 10 тыс. га леса лишь за день.
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Истощение запасов озона из-за воздушного транспорта происходит
там, где он совершенно необходим - в верхних слоях атмосферы, где смертоносная ультрафиолетовая радиация ослабляется озоновым экраном
почти в 6500 раз на высоте в 15-40 км. Наземный же транспорт создает
повышенные его концентрации там, где он не нужен и даже вреден (повышенная концентрация озона токсична, и его действие на живые организмы сходно с действием ионизирующего излучения).
Не менее необходима для живого к вода. Общие ее запасы на планете
велики, но на каждые 100 л влаги на Земле 97 л - соленая, из оставшихся
3 л - 2 л представлено льдами Арктики и Антарктиды, т.е., оснований
для благодушия не остается.
К 2100 г. человечество может исчерпать все запасы пресной воды,
а к 2230 - вообще все водные ресурсы планеты. Уже сейчас изымаемое на
нужды орошения количество речной воды близко к 100% (Аму-Дарья и
Сыр-Дарья уже много лет никуда не впадают и Аральское море, питаемое
ими, исчезло).
Можно только гордиться тем, что пятая часть всех мировых запасов
пресной воды з а к л ю ч е н а в нашем Б а й к а л е (23 тыс. м 3) и вполне
закономерно чувство постоянной тревоги за его судьбу.
Леса, промысловые животные, кислород относят к возобновимым
ресурсам планеты. Из этих ресурсов в мире используется около 50% леса,
свыше 10% воды из мирового стока рек, до 70% прироста численности
промысловых рыб. В мире каждый день исчезает по одному виду флоры
и фауны - оскудение жизни на Земле неудержимо, а использование
возобновимых ресурсов уже на грани предельного уровня.
Невозобновимые ресурсы - это наши почвы, полезные ископаемые.
Из общей п л о щ а д и с у ш и в с е л ь с к о х о з я й с т в е н н о м производстве
используется лишь 11%. Из-за эрозии (разрушения почвенного покрова
по разным причинам) за последнее столетие потеряно около 2 млрд. га
плодородных земель - больше, чем занятых под пашнями и пастбищами.
Опустынивание плодородных земель на планете идет со скоростью
I га/мин. (Австралия, Азия, Латинская Америка), а половина пахотных
земель истощены и обработка их просто нерентабельна. Как результатсокращение продуктивности живого покрова Земли и угроза голода,
который будет обходиться человечеству таким же количеством жертв
ежегодно, как вторая мировая война, длившаяся более пяти лет.
Не лучше положение и с другими невозобновимыми ресурсами.
Предполагают, что уже к 2500 г. человечество израсходует запасы
металлов; угля, нефти, газа может хватить дашь на 150 лет, а расход
горючих ископаемых происходит в 10 раз быстрее, чем их накопление.
З н а ч и т е л ь н у ю ч а с т ь э к о н о м и и полезных и с к о п а е м ы х может дать
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
комплексное использование сырья, но пока до 98% его превращается
в отходы и уходит в отвалы, загрязняющие окружающую среду.
В целом до 900 млн. т загрязняющих веществ постоянно находится
в атмосфере (60% - выбросы автомашин), 12-15 млн. т нефти ежегодно
попадает в океан, 2,5 млрд. т вещества (лаву, пары, газа) выбрасывают
вулканы, 3 млрд. т аэрозолей, промышленных и коммунальных отходов
"дарят" планете города.
Уязвимым под влиянием всех этих воздействий оказался даже
климат. Так, температура воздуха в больших городах на 3-4° выше, чем
в окрестностях, и над ними выпадает больше осадков. Глобальных
и з м е н е н и й к л и м а т а следует о ж и д а т ь в с л е д с т в и е п р е о б р а з о в а н и я
теплового баланса. При сохранении нынешних темпов прироста энергии,
способов ее производства и потребления произведенного на Земле тепла
лет через 100 с небольшим произойдет таяние полярных льдов и полное
изменение климата - повысится облачность, сократится количество
поступающей солнечной энергии, и наступит новый ледниковый период.
К гибели живого на Земле ведет бесконтрольное использование
минеральных удобрений, пестицидов (появляются мутанты, устойчивые
к ядохимикатам "супервредители"). Гибнет живое и под влиянием
участившихся стихийных бедствий (наводнений, землетрясений).
Заложником негативных проявлений научно-технической революций оказался и сам человек. Индустриализация и урбанизация, механизация и автоматизация производства, развитие химии, экологические
ситуации, убыстрение темпов жизни, повышение психоэмоциональной
напряженности и насыщенности жизни миллионов людей приводят
к видоизменению старых "классических" заболеваний и возникновению
новых. Объем сброса в почву хрома, свинца, никеля, цинка, меди и других
микроэлементов привел к тому, что у современного землянина в жилах
кадмия в 70 раз, свинца - в 17, ртути - в 19, теллура - в 40 раз больше, чем
у первобытного человека. Известно, что избыток кадмия приводит к
сердечно-сосудистым заболеваниям, свинца - к атеросклерозу и расширению почек, ртути - к невралгическим заболеваниям и генетическим
нарушениям. До 80% заболеваний раком имеют экзогенную этиологию,
так же, как и целый ряд эндокринных, генетических, аллергических,
токсикологических и др.
Загрязняющими считают в настоящее время агрессивный акустический и зрительный фон, приводящие к заболеваниям нервной системы
и сокращающие жизнь человека в не меньшей степени, чем, например,
курение.
Уже в наши дни человечество столкнулось с необходимостью решать
задачи такого масштаба и таких социальных последствий, которым не
было равных в его истории. Так, патология умственной отсталости
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
составляет до 3% у населения Земли, формы олигофрении проявляются
у 10-12% детей, каждый 10-й ребенок из тысячи родившихся появляется
на свет с физическими или умственными отклонениями.
В целом наука и техника не несут в себе фатального источника зла,
а значит, не должно быть и речи о возврате к природе в ее первобытной
простоте. Природу уже невозможно сохранить нетронутой - такой на
Земле уже нет. Задача науки - сохранить природу на ее современном этапе
(не н а р у ш а я е с т е с т в е н н ы х п р о ц е с с о в ее р а з в и т и я ) на основе
рационального пути развития промышленности, создания замкнутых
технологических производств, полного использования сырья и т.д.. Уже
сейчас в горном деле используется технология "обратного порядка",
когда, например, в пласты руды закачиваются бактериальные растворы,
бактерии которых накапливают в себе в больших количествах (как древние железобактеры) определенные металлы. Прокачивая такой раствор
через самые бедные залежи, затем перерабатывают, получая чистый
металл. Такие эксперименты идут и у нас в стране, и за рубежом. Многие
бактерии отлично утилизируют промышленные отходы, нефть в океане,
растения и моллюски абсорбируют редчайшие элементы, поведение насекомых в некоторых ситуациях дает более точную информацию, чем
приборы и т.д. Отсюда и необходимость развития бионики.
Не самый идеальный вариант в поисках новых источников энергии
- атомная энергетика. Со временем человечество обратится к нетрадиционным видам энергии - солнца, ветра, термальных вод, приливов
(таких попыток уже предостаточно). Пока же используется в силу разных
причин лишь 0,01% солнечной.
В настоящее время, по мнению академика Н.Н.Моисеева, важнейшей и первостепенной стала задача выяснения того, что человеку не
дозволено, какую черту он не должен переступать ни при каких обстоятельствах. До поры до времени биосфера выдерживает антропогенные
нагрузки, но где порог её терпимости?
Условием сохранения жизнеспособности биосферы является поддержание функциональных параметров ее компонентов: атмосферы, гидросферы, гляциосферы, живого вещества и т.д. Отсюда вытекает необходимость с о х р а н е н и я лесов, болот, чистоты природных вод, температурных условий. Все эти меры должны быть точно определены и строго
соблюдаться в локальных и глобальных масштабах, находиться под
строгим контролем людей, чтобы в нужный момент можно было использовать естественные, а может быть и технические средства рекреации
состояния природы. В этом и заключается смысл мониторинга состояния
природных объектов, находящихся в зоне антропогенных воздействий.
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
Лекция I. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИВОГО
Лекция 2. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
КЛЕТКИ КАК ЕДИНИЦЫ ЖИВОГО
3
12
Лекция 3. СВОЙСТВА ЖИВОГО: МЕТАБОЛИЗМ,
ДВИЖЕНИЕ, ПОВЕДЕНИЕ
23
Лекция 4. РАЗМНОЖЕНИЕ ОРГАНИЗМОВ В ПРИРОДЕ
33
Лекция 5. БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ
41
Лекция 6. ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОРГАНИЗМЕ
КАК ПРОЯВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ.
ГОМЕОСТАЗ И ТРАНСПЛАНТАЦИЯ
56
Лекция 7. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
63
Лекция 8. ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ
70
Лекция 9. ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА
80
Лекция 10. ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ОРГАНИЗМА И СРЕДЫ
89
Лекция 11. ОРГАНИЗМ В ЭКОСИСТЕМЕ
100
Лекция 12. ПОПУЛЯЦИЯ В ЭКОСИСТЕМЕ
107
Лекция 13. ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА
114
Лекция 14. ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ЭВОЛЮЦИИ
125
Лекция 15. БИОСФЕРА - ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОСИСТЕМА
135
Лекция 16. АНТРОПОГЕНЕЗ
146
Лекция 17. НООСФЕРА. ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
157
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Любовь Николаевна Евсеенко
Людмила Григорьевна Харитонова
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
Подписано в печать 26.12.02 .Формат 60x84 1/16.
Объем 10,5 печ. л. Тираж 500 экз. Заказ 134.
Издательсто СибГАФК.
644009, г.Омск, ул.Масленникова, 144.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
162
Размер файла
6 402 Кб
Теги
человек, основы, биологическая, 10073, жизнедеятельности
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа