Биология с основами экологии

Биология с основами экологии

 

1.Биосинтез белка.

2.Взаимодействие организмов в экосистемах.

3.Биоритмы и биологические часы. Каково их биологическое значение в жизни организмов?

4.Проанализируйте эволюцию нервной системы животных от низших до высших многоклеточных".

Введение

Одной из задач современной биологии и ее новейших разделов – молекулярной биологии, биоорганической химии, физико-химической биологии – является расшифровка механизмов синтеза молекулы белка, содержащей сотни, а иногда и тысячи остатков аминокислот. Механизм синтеза должен обладать точной кодирующей системой, которая автоматически программирует включение каждого аминокислотного остатка в определенное место полипептидной цепи Кодирующая система определяет первичную структуру, а вторичная и третичная структуры белковой молекулы определяются физико-химическими свойствами и химическим строением аминокислот.

Биосинтез белка можно разделить на стадии транскрипции, процессинга и трансляции. Во время транскрипции происходит считывание генетической информации, зашифрованной в молекулах ДНК, и запись этой информации в молекулы мРНК. В ходе ряда последовательных стадий процессинга из мРНК удаляются некоторые фрагменты, ненужные в последующих стадиях, и происходит редактирование нуклеотидных последовательностей. После транспортировки кода из ядра к рибосомам происходит собственно синтез белковых молекул, путем присоединения отдельных аминокислотных остатков к растущей полипептидной цепи.

1.  Биосинтез белка

Биосинтез белка — сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислотных остатков, происходящий на рибосомах клеток живых организмов с участием молекул иРНК и тРНК.

Транскрипция

Транскрипцией называется процесс считывания генетического кода с молекулы ДНК. При этом на одной из цепочек ДНК синтезируется одноцепочечная молекула информационной или матричной РНК (мРНК), согласно принципу комплементарности. Последовательность из трех нуклеотидов в мРНК, соответствующая последовательности в ДНК, кодирующая определенную аминокислоту, называется кодоном. Основную роль в транскрипции играет фермент РНК-полимераза.

Процессинг

Между транскрипцией и трансляцией молекула мРНК претерпевает ряд последовательных редактирований, которые обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза полипротеиновой цепочки. С появлением процессинга в эукариотической клетке стало возможено комбинирование экзонов гена для получения большего разнообразия белков, кодируемым единой последовательностью нуклеотидов ДНК.

После полиаденилирования мРНК подвергается удалению интронов. Процесс катализируется сплайсосомой и называется сплайсингом.

Трансляция

Трансляция заключается в синтезе полипептидной цепи в соответствии с информацией, закодированной в матричной РНК. Аминокислотная последовательность выстраивается при помощи транспортных РНК (тРНК), которые образуют с аминокислотами комплексы — аминоацил-тРНК. Каждой аминокислоте соответствует своя тРНК, имеющая соответствуюищий антокодон, «подходящий» к кодону мРНК. Во время трансляции рибосома движется вдоль мРНК, по мере этого наращивается полипептидная цепь. Энергией биосинотез белка обеспечивается за счет АТФ.

Готовая белковая молекула затем отщепляется от рибосомы и транспортируется в нужное место клетки. Для достижения своего активного состояния некоторые белки требуют дополнительной посттрансляционной модификации.

2.  Взаимодействие организма в экосистемах

Основополагающим объектом изучения экологии является взаимодействие пяти уровней организации материи: живые организмы, популяции, сообщества, экосистемы и экосфера.

 Живой организм – это любая форма жизнедеятельности.

 Популяция – это группа организмов одного вида, проживающих в определенном районе (местообитании).

Примерами популяций являются все окуни в пруду, белки в лесах Московской области, население в отдельной стране или население Земли в целом.

Вид – это совокупность популяций особей, представители которых фактически или потенциально скрещиваются друг с другом в естественных условиях.

Каждый организм или популяция имеет свое местообитание: местность или тип местности, где они проживают. Когда несколько популяций различных видов живых организмов живут в одном месте и взаимодействуют друг с другом, они создают так называемое сообщество, или биологическое сообщество. Таким образом, сообщество - комплекс взаимосвязанных популяций разных видов, обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования.

Экосистема – это совокупность сообществ, взаимодействующих с химическими и физическими факторами, создающими неживую окружающую среду. Другими словами, экосистема - это система, образуемая биотическим сообществом и абиотической средой.

Переходная область между двумя смежными экосистемами называется экотон .

Главные экосистемы суши, такие, как леса, степи и пустыни, называются наземными экосистемами, или биомами. Экосистемы гидросферы называются водными экосистемами.

Примерами таких экосистем являются пруды, озера, реки, открытый океан, коралловые рифы и т.п. Все экосистемы Земли составляют экосферу.

Экосфера – совокупность живых и неживых организмов (биосфера), взаимодействующих друг с другом и со своей неживой средой обитания (энергией и химическими веществами) в планетарном масштабе.

I. Абиотические компоненты экосистем.

Экосистема состоит из различных живых и неживых компонентов. Неживые, или абиотические, компоненты экосистемы включают различные физические и химические факторы. К важным физическим факторам относятся:

a. солнечный свет;

b. тень;

c. испарение;

d. ветер;

e. температура;

f. водные течения.

Главными химическими факторами являются питательные элементы и их соединения в атмосфере, гидросфере и земной коре, необходимые в больших или малых количествах для существования, роста и размножения организмов.

Наиболее важные для жизни химические элементы, необходимые в больших количествах, называются макроэлементами (С, О, Н, N, P, S, Ca, Mg, K, Na).

Элементы, необходимые для жизни в малых или следовых количествах – микроэлементы (Fe, Cu, Zn, Cl).

II. Биотические компоненты экосистем.

Основные типы организмов, которые формируют живые, или биотические, компоненты экосистемы, принято подразделять по преобладающему способу питания на продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуценты - это организмы, производящие органические соединения из неорганических. Продуценты (в большинстве своем зеленые растения) создают органические вещества в процессе фотосинтеза или хемосинтеза. Эти органические вещества используются продуцентами как источник энергии и как строительный материал для клеток и тканей организма.

Фотосинтез может быть представлен следующим образом:

Хемосинтез – преобразование неорганических соединений в питательные органические вещества в отсутствие солнечного света, за счет энергии химических реакций.

Только продуценты способны сами производить для себя пищу. Более того, они непосредственно или косвенно обеспечивают питательными элементами консументов и редуцентов.

По типу питания все продуценты являются автотрофами - сами производят органические вещества из неорганических. Консументы и редуценты по типу питания являются гетеротрофами - питаются органическим веществом, произведенным другими живыми организмами.

Консументы – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь живыми организмами - продуцентами или другими консументами.

Редуценты – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию питаясь останками мертвых организмов (животных, растений).

В зависимости от источников питания консументы подразделяются на три основных класса:

 - фитофаги (растительноядные) – это консументы 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями. Например, птицы едят семена, почки и листву.

- хищники (плотоядные) – консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы 3-го порядка, питающиеся только плотоядными животными.

- эврифаги (всеядные), которые могут поедать как растительную, так и животную пищу. Примерами являются свиньи, крысы, лисы, тараканы, а также человек.

Существует два основных класса редуцентов:

1. Детритофаги – напрямую потребляют мертвые организмы или органические остатки. (пример: шакалы, грифы, дождевые черви).

2. Деструкторы – разлагают мертвую органическую материю на простые неорганические соединения (процесс гниения и разложения). Примером могут служить грибы и микроскопические одноклеточные бактерии.

Потоки энергии в экосистемах.

Химическая энергия, накопленная в глюкозе и других углеводородах, используется продуцентами, консументами и редуцентами для поддержания жизнедеятельности, что является частью одностороннего движения энергии через организмы в экосистеме.

Преобразование органических соединений в энергию происходит за счет клеточного дыхания в митохондриях клетки:

Получение органических соединений происходит в основном за счет фотосинтеза :

3.  Биоритмы и биологические часы. Каково их биологическое значение в жизни организмов?

Изучением ритмов активности и пассивности, протекающих в нашем организме, занимается особая наука – биоритмология. Согласно этой науке, большинство процессов, происходящих в организме, синхронизированы с периодическими солнечно-лунно-земными, а также космическими влияниями. И это неудивительно, ведь любая живая система, в том числе и человек, находится в состоянии обмена информацией, энергией и веществом с окружающей средой. Если этот обмен (на любом уровне – информационном, энергетическом, материальном) нарушается, то это отрицательно сказывается на развитии и жизнедеятельности организма.

Каждый организм, существующий на Земле, является своеобразными часами. Все организмы – плоды эволюции, на протяжении трех миллиардов лет жизнь на Земле развивалась и приспосабливалась, непрерывно и бесконечно передавая информацию от клетки к клетке, из поколения в поколение. Все живые организмы несут в себе все изменения, накопленные в этом долгом процессе развития, поэтому мы так хорошо приспособлены к неустанному вращению нашей планеты.

Физиологическое время, так же как и местное время на вращающейся планете, имеет циклический характер. Для любых часов, внешних или внутренних, подстройка (сдвиг) на один или нескольких полных циклов не дает заметного эффекта. Однако сдвиг биологических часов на часть цикла приводит к ощутимым физиологическим последствиям, как показывает феномен перепада времени при трансмеридианных перелетах. Такое смещение внутри цикла называется сдвигом фазы, то есть положения повторяющегося процесса в его собственном цикле (например, фазы Луны).

Помимо эффекта перепада времени, открытого лишь недавно в связи с трнсмередианными перелетами, существует постоянная необходимость подстраивать фазу биологических часов из-за небольшого расхождения между собственным периодом этих часов и периодом вращения Земли. Несоответствие этих периодов на час или около того обычно для многих биологических видов, имеющих достаточно точные внутренние часы. У человека, например, период часов близок к 24 часам. Отклонение на час составляет всего 4% суток, – очевидно, это вполне допустим о. Из-за близости периода к земным суткам биологические часы этого класса были названы циркадианными (от лат. Circa –

около, приблизительно и dies – день, сутки).

Анаболизм – это биологический процесс, при котором простые вещества соединяются между собой, что приводит к построению новой протоплазмы, росту и накоплению энергии.

Катаболизм – это противоположный анаболизму процесс расщепление сложных веществ на более простые, при этом ранее накопленная энергия освобождается и производится внешняя или внутренняя работа.

Таким образом, анаболические процессы ведут к наращиванию протоплазмы, а катаболические, наоборот, – к уменьшению и ее деструктуризации. Но эти два процесса, сочетаясь, взаимно усиливают друг друга. Так, процессы распада клеточных структур стимулируют их последующий синтез, а чем больше сложных структур накапливается в протоплазме, тем активнее может идти последующее расщепление с высвобождением большого количества энергии. В этом случае наблюдается максимальная жизнедеятельность клетки, а, следовательно, всего организма в целом. Руководят этим ритмом свет и температура. Чем сильнее эти два фактора, тем выражение циклоз (перемешивание протоплазмы) и активнее ферменты. К тому же с 3 до 15 часов происходит сдвиг внутренней среды организма в кислую сторону. Умеренная физическая нагрузка дополнительно способствует сдвигу КЩР (кислотно-щелочного равновесия) в сторону закисления. Таким образом, светлое время суток способствует активизации катаболических процессов в каждой клетке организма.