МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ по организации лабораторно-практических работ по дисциплине «Биология»

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Самарской области

Министерство образования и науки Самарской области

Министерство имущественных отношений Самарской области

государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

Самарской области «Профессиональное училище с. Домашка»

Приняты

на заседании методической комиссии

протокол № ___от «____»_________201__г.

председатель методической комиссии

____________________Кувшинова Н. А.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

по организации лабораторно-практических работ

по дисциплине «Биология»

для профессий: 23.01.03 «Автомеханик»

35.01.14 «Мастер по техническому обслуживанию и ремонту машинно-тракторного парка»

Разработал преподаватель биологии: Егорова Н. П.

2017 г.

Настоящие методические указания по дисциплине «Биология» для профессий 23.01.03 Автомеханик и 35.01.14 «Мастер по техническому обслуживанию и ремонту машинно-тракторного парка»

составлены в соответствии с рабочей учебной программы для закрепления теоретического материала на практике.

В методическое пособие входит 15 практических занятий (количество часов – 15). Каждое занятие содержит цель, методическое руководство к выполнению, перечень оснащения работы, содержание работы, контрольные вопросы, форму предъявления отчета, критерии оценки.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

В современных условиях рынка труда специалист, работающий на предприятиях различных форм собственности, должен быть разносторонне развитым, умеющим совмещать различные виды деятельности. Особенно актуально умение самостоятельно принимать решения, нести за них ответственность, знать и понимать структуру предприятия и экономику производства, часто приходится вести контроль качества продукции и сырья.

Данные методические указания являются методическим обеспечением дисциплины Биология и составлены в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников с получением среднего (полного) общего образования на базе основного общего среднего образования на основе ФГОС-04. Дисциплина Биология является базовой дисциплиной естественнонаучного и математического цикла.

В результате изучения биологии с основами экологии на базовом уровне обучающиеся должны ЗНАТЬ/ПОНИМАТЬ:

• основные положения биологических теорий: клеточной, эволюционной теории Ч. Дарвина, учения В. И. Вернадского о биосфере, сущность законов Г. Менделя;

• строение биологических объектов: клетки, генов и хромосом, вида и экосистем;

• сущность биологических процессов: размножения, оплодотворения, действия искусственного и естественного отбора, формирования приспособленности, образования видов, круговорота веществ и превращения энергии в биосфере и экосистемах;

• вклад выдающихся ученых в развитие биологической науки;

• биологическую терминологию и символику.

УМЕТЬ:

• объяснять единство живой и неживой природы; родство живых организмов; влияние различных экологических факторов на организмы; взаимосвязи организмов и среды; причины эволюции, изменяемости видов, наследственных заболеваний, мутаций, устойчивости и смены экосистем; необходимости сохранения многообразия видов; значение биологических теорий в формировании современной естественнонаучной картины мира;

• решать элементарные биологические задачи, составлять элементарные схемы скрещивания и цепи питания;

• выявлять приспособления организмов к среде обитания; антропогенные изменения в экосистемах, в том числе Кемеровской области;

• сравнивать биологические объекты (тела живой и неживой природы по химическому составу, зародыши человека и других млекопитающих, природные экосистемы и агроэкосистемы, в том числе Кемеровской области); процессы искусственного и естественного отбора, полового и бесполого размножения;

• анализировать и оценивать различные гипотезы сущности жизни и человека, глобальные экологические проблемы и пути их решения, последствия собственной деятельности в окружающей среде;

• находить необходимую биологическую информацию в различных источниках и критически ее оценивать.

• использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни:

• для соблюдения мер профилактики отравлений, вирусных и других заболеваний, стрессов, вредных привычек (курения, алкоголизма, наркомании); правил поведения в природной среде;

• оценки этических аспектов некоторых исследований в области биотехнологии (клонирование, искусственное оплодотворение).

Цель данного пособия:

Содействие формированию общих и профессиональных компетенций в области освоения биологии, обеспечивающей базовый уровень профессиональной квалификации и развитие навыков самостоятельной практической работы

Задачи:

• получить практическое подтверждение законов биологии;

• научить выявлять признаки сходства и различия в структуре и развитии живых организмов;

• ознакомить с эволюционным развитием жизни на Земле;

• научить применять теоретические основы биологии в профессиональных видах деятельности;

Изучение дисциплины осуществляется по выполнению 8 практических работ, в которых последовательно рассматриваются аспекты биологии при решении задач. Отрабатываются умения и навыки работы.

Обучение осуществляется в подгруппах по 4 человека, что позволяет каждому студенту отработать самостоятельно все темы программы и сформировать навыки самостоятельной работы.

Данная методическая разработка содержит методические указания по подготовке и проведению практических работ, перечень практических работ, инструкционные карты, методические указания студенту по выполнению практических работ и оформлению отчета и список основной и дополнительной литературы.

Требования к проведению практических работ

по биологии и оформлению отчетов

По результатам выполнения практических работ, студенты должны вести тетради в клетку.

Оформление отчетов по практическим работам нужно осуществлять в соответствии с требованиями:

В тетради обязательно указать дату выполнения, тему, цель работы, перечень необходимых материалов и оборудования. Далее описывать задание и выполняемые действия, результаты исследования, наблюдения и выводы.

Результаты можно сводить в таблицы, в которых отражать все исходные, справочные данные и исследования. Графики нужно строить с точным обозначением величин на осях координат, и их единиц измерения, при этом можно пользоваться клетками тетради или оформить диаграмму на компьютере в Excel, и вклеить ее в тетрадь (эту часть отчета выполняют самостоятельно, как домашнее задание).

После оформления практической работы сформулировать ответы на контрольные вопросы и общий вывод по работе.

Лабораторная или практическая работа считается выполненной, если она соответствует критериям, указанным в лабораторно-практической работе. Если студент имеет пропуски лабораторно-практических занятий по уважительной или неуважительной причине, то выполняет работу во время консультаций отведенных группе по данной дисциплине.

КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ.

Отметка "5"

Лабораторная, практическая работа выполнена в полном объеме с соблюдением необходимой последовательно­сти. Обучающиеся работали полностью самостоятельно: подобрали необходимые для выполнения предлагаемых работ источники знаний, показали необходимые для проведения практических и самостоятельных работ теоретические знания, практические умения и навыки.
Работа оформлена аккуратно, в оптимальной для фиксации результатов форме.

Отметка "4"

Лабораторная или практическая работа выполнена студентами в полном объеме и самостоятельно. Допускается отклонение от необходимой последовательности выполнения, не влияющее на правильность конечного резуль­тата (перестановка пунктов типового плана, последовательность выполняемых заданий, ответы на вопросы). Использованы указанные источники знаний. Работа показала знание основного теоретического материала и овладение уме­ниями, необходимыми для самостоятельного выполнения ра­боты.

Допускаются неточности и небрежность в оформлении ре­зультатов работы.

Отметка "3"

Лабораторная или практическая работа выполнена и оформлена с помощью преподавателя. На выполне­ние работы затрачено много времени (дана возможность доделать работу дома). Обучающийся показал знания теоретиче­ского материала, но испытывали затруднения при самостоя­тельной работе со статистическими материала­ми.

Отметка "2"

Выставляется в том случае, когда обучающийся оказался не подготовленными к выполнению этой работы. Полученные ре­зультаты не позволяют сделать правильных выводов и полно­стью расходятся с поставленной целью. Обнаружено плохое знание теоретического материала и отсутствие необходимых умений.

Практическое занятие №1

Тема: Изучение строение бактерий, вирусов и дрожжей.

Цель: Научить обучающихся методам микроскопирования бактерий, дрожжей, микроскопических грибов.

Обучающийся должен уметь:

-выполнять простые микробиологические исследования и давать оценку полученных результатов.

Обучающийся должен знать:

-основные группы микроорганизмов

Оборудование и материалы: микроскопы, предметные стекла, (Бактерии, прессованные хлебопекарные дрожжи, чистая культура мецилиальных грибов, спиртовки, бактериологические петли, препарировальные иглы, пипетки, предметные и покровные стекла, вода, фильтровальная бумага). Поиск информации в интернете.

Ход работы:

1. Приготовление препаратов

2. Изучение морфологии бактерий, мицелиальных грибов, дрожжей.

Строение клеток организмов изучается с помощью микроскопа и специальных препаратов.

Строение микроскопа.

В микроскопе различают механическую и оптическую части. Механическая часть представлена штативом (состоящим из основания и тубусодержателя) и укрепленным на нем тубусом с револьвером для крепления и смены объективов. К механической части относятся также: предметный столик для препарата, приспособления для крепления конденсора и светофильтров, встроенные в штатив механизмы для грубого (макромеханизм, макровинт) и тонкого (микромеханизм, микровинт) перемещения предметного столика или тубусодержателя.

Оптическая часть представлена объективами, окулярами и осветительной системой, которая в свою очередь состоит из расположенных под предметным столиком конденсора Аббе и встроенного осветителя с низковольтной лампой накаливания и трансформатором. Объективы ввинчиваются в револьвер, а соответствующий окуляр, через который наблюдают изображение, устанавливают с противоположной стороны тубуса.

Правила работы с микроскопом.

1. Поставьте микроскоп штативом к себе против левого плеча на расстоянии 5 - 10 см от края стола.

2. Зрительную трубку опустите вниз на 1-2 мм от предметного столика.

3. Направьте свет при помощи подвижного зеркальца на предметный столик. Вращайте зеркальце осторожно, смотрите при этом в окуляр, добиваясь освещения, комфортного для глаза: не «бьющего», но и не «мутного».

4. Положите на предметный столик напротив отверстия в нем готовый препарат. Зажмите предметное стекло зажимами.

5. В окуляр смотрите одним глазом, не закрывая и не зажмуривая другой.

6. Глядя в окуляр, очень медленно при помощи винтов поднимайте зрительную трубку до тех пор, пока не будет четкого изображения.

7. После работы уберите микроскоп в футляр.

Теоретическая часть

По форме бактерии принято делить на:

- шаровидные (кокки), которые по расположению кокков делятся на: монококки – клетки, расположенные одиночно;, диплококки- кокки, соединенные по два;, тетракокки- клетки, расположенные по четыре; стрептококки- кокки, расположенные в виде длинной или короткой цепочки; сарцины- кокки, расположенные в виде пакетов; стафилококки- беспорядочное скопление кокков, чаще в виде гроздьев винограда.

- палочковидные формы по расположению палочек подразделяют на: диплобактерии- палочки, соединенные попарно; стрептобактерии- палочки, расположенные в виде цепочки.

- извитые формы подразделяются на вибрионы, имеющие форму запятой, спириллы, имеющие несколько завитков и спирохеты с большим количеством мелких завитков.

Мицелиальные грибы - это обширная группа низших растительных организмов. Тело мицелиального гриба, грибница или мицелий, состоит из множества переплетающихся нитей- гифов, которые густой сетью сплетаются на поверхности питательного субстрата. От ветвистого мицелия отходят плодоносящие гифы- спорангии и конидиеносцы, на концах которых находятся плодовые тела. К морфологическим признакам микроскопических грибов относятся строение вегетативного тела и органов размножения. Грибы- крупные микроорганизмы, поэтому их можно хорошо рассмотреть под микроскопом при небольшом увеличении. Мицелий некоторых грибов окрашен за счет отложения пигмента в клеточных оболочках: розовый - у гриба Фузариум, зеленый- у гриба Пенициллиум, черный- у некоторых аспергилловых грибов. Дрожжи представляют собой одноклеточные неподвижные микроорганизмы с наличием ядра. Форма клеток дрожжей чаще округлая, яйцевидная, цилиндрическая. В цитоплазме дрожжевой клетки можно увидеть различного рода включения- капель жира, гликоген, валютин. По мере старения клетки в ней появляются вакуоли-полости, наполненные клеточным соком. Размножаются дрожжи преимущественно путем почкования, многие способны еще и к спорообразованию. При микроскопировании дрожжей необходимо обратить внимание на следующие особенности морфологии: форму и достаточно сложную структурную организацию. Морфологические свойства дрожжей имеют возрастные особенности: в старых клетках утолщается оболочка, увеличивается зернистость цитоплазмы, появляются крупные жировые включения. Поэтому исследование морфологии дрожжей является одним из способов определения технологических свойств дрожжей- их функциональной активности и жизнеспособности.

Порядок выполнения работы.

1. Приготовление препаратов.

Для микроскопирования бактерий и дрожжей наносят на чистое предметное стекло каплю исследуемой культуры и покровным стеклом размазывают каплю по поверхности предметного стекла. Затем покровное стекло опускают на смоченную поверхность предметного стекла, избыток жидкости удаляют с помощью фильтровальной бумаги. Для микроскопирования микроскопических грибов кусочек грибницы переносят в каплю воды, нанесенную на предметное стекло. Сверху накрывают покровным стеклом. Избыток жидкости убирают кусочками фильтровальной бумаги.

2. Изучение морфологии. Рассмотреть под микроскопом и зарисовать: форму клеток бактерий, форму и расположение клеток дрожжей, строение грибницы и органов размножения микроскопических грибов.

3. Написать отчет о проделанной работе.

Практическое занятие №2.

Тема: Приготовление, наблюдение и описание микропрепаратов клеток.

Цель: Изучить внешнее и внутреннее строение растительных клеток.

Оборудование и материалы: микроскопы, предметные стекла, раствор йода, чистая ложечка или стеклянная лопаточка, салфетки, вода, пипетка, луковица, элодея, готовые микропрепараты.

Ход работы:

1. Изучение клеток лука.

Возьмите предметное стекло и аккуратно протрите его салфеткой. На стекло капните 1-2 капли воды. Снимите кожицу с чешуи лука, перенесите маленький кусочек в каплю воды на стекле и осторожно расправьте ее.

Окрасьте кожицу лука каплей раствора йода. Накройте предметное стекло с кожицей лука в капле воды другим стеклом так, чтобы под ним не осталось пузырьков воздуха.

Приготовленный препарат переместите на предметный столик микроскопа и рассмотрите. Найдите группу клеток, рассмотрите отдельную клетку, расположенные в ней цитоплазму, ядро, а также оболочку. Сделайте рисунок, подпишите его.

Рис.1 Клетки кожицы чешуи лука.

2. Изучение клеток листа элодеи.

Приготовьте препарат с кусочком листа водного растения элодеи. Рассмотрите под микроскопом движение цитоплазмы в клетках листа элодеи и хорошо заметные зеленые пластиды (т.е. хлоропласты). Сделайте рисунок, подпишите его.

Рис.2 Клетка листа элодеи.

3. Изучение клеток слизистой оболочки полости рта человека.

Приготовьте чистые стекла, капните 2 капли раствора йода на середину одного предметного стекла. Откройте рот и проведите несколько раз чистой ложечкой или стеклянной лопаточкой по внутренней поверхности щеки. Полученный материал поместите в раствор йода на предметном стекле и рассмотрите полученный микропрепарат под микроскопом (форму клеток, зернистую цитоплазму и ядро). Зарисуйте (в масштабе!) 3-4 клетки в тетрадь и сделайте подписи видимых частей клетки в одной из них.

4. Изучение готовых микропрепаратов.

Рассмотрите под микроскопом готовые микропрепараты клеток. Обратите внимание на главный признак эукариот – наличие ядра в цитоплазме каждой клетки. Сопоставьте увиденное на световом микроскопе с изображениями объектов на фотографиях, сделанных при помощи электронного микроскопа. Зарисуйте растительную и животную клетки и обозначьте органоиды.

Контрольные вопросы.

1. Сравните между собой строение клеток растений и животных и сделайте выводы о характерных признаках строения клеток эукариот. В чем

заключается сходство и различие клеток? Каковы причины сходства и различия клеток?

2. В клетках различных органов крысы суммарный объём митохондрий по отношению к общему объёму клеток составляет: в печени 18,4%, в поджелудочной железе 7,9%, в сердце 35,8%. Объясните причину различного содержания митохондрий в этих клетках.

Практическое занятие № 3.

Тема: Сравнение строения растительной и животной клетки под микроскопом

Цель работы: ознакомиться с особенностями строения клеток растений и животных организмов, показать принципиальное единство их строения.

Оборудование:

• кожица чешуи луковицы,

• эпителиальные клетки из полости рта человека,

• микроскоп,

• чайная ложечка,

• покровное и предметное стекла,

• синие чернила,

• йод.

Ход работы

1. Отделите от чешуи луковицы кусочек покрывающей её кожицы и поместите его на предметное стекло.

2. Нанесите капельку слабого водного раствора йода на препарат. Накройте препарат покровным стеклом.

3. Снимите чайной ложечкой немного слизи с внутренней стороны щеки.

4. Поместите слизь на предметное стекло и подкрасьте разбавленными в воде синими чернилами. Накройте препарат покровным стеклом.

5. Рассмотрите оба препарата под микроскопом.

6. Результаты сравнения занесите в таблицу.

7. Сделайте вывод о проделанной работе.

Таблица «Сходства и отличия растительной и животной клетки».

Сходства:		Различия:
Растительная:	Животная:	Растительная:	Животная:

Вывод:____________________________________________________________________________________________________________________________________

Рис.1 Формы растительных клеток

Рис. 2 Растительная клетка под микроскопом

Рис.3 Амеба под микроскопом

а)

б)

Рис. 4 Микропрепараты тканей животных а) кровь; б) мышечная ткань

Рис. 5 Растительная и животная клетка

Практическое занятие № 4

Тема: Выявление и описание признаков сходства зародышей человека и других позвоночных как доказательство их эволюционного родства

Цель: познакомиться с эмбриональными доказательствами эволюции органического мира.

Ход работы

1. Прочитайте текст «Эмбриология» и рассмотрите рисунки.

2. Выявите черты сходства зародышей человека и других позвоночных.

3. Ответьте на вопрос: о чем свидетельствуют сходства зародышей?

Эмбриология

Факт единства происхождения живых организмов был установлен на основе эмбриологических исследований, в основе которых лежат данные науки эмбриологии.

Эмбриология – наука, изучающая зародышевое развитие организмов.

Все многоклеточные животные развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки. В процессе индивидуального развития они проходят стадии дробления, образование двух- и трехслойного зародышей, формирования органов из зародышевых листков. Сходство зародышевого развития животных свидетельствует о единстве их происхождения.

С особой отчетливостью сходство эмбриональных стадий выступает в пределах отдельных типов и классов. Так, на ранних стадиях развития у зародышей позвоночных (рыбы, ящерицы, кролика, человека) наблюдается поразительное сходство: все они имеют головной, туловищный и хвостовой отделы, зачатки конечностей, по бокам тела –зачатки жабр.

По мере развития зародышей черты различия выступают все более явственно. Причем вначале проявляются признаки класса, к которому относятся зародыши, затем признаки отряда и на еще более поздних стадиях - признаки рода и вида. Эта закономерность в развитии зародышей указывает на их родство, происхождение от одного ствола, который в ходе эволюции распался на множество ветвей.

Основываясь на приведенных выше, а также множестве других фактов, немецкие ученые Ф.Мюллер и Э.Геккель во второй половине XIX в. установили закон соотношения онтогенеза, который получил название биогенетического закона. Согласно этому закону каждая особь в индивидуальном развитии (онтогенезе)повторяет историю развития своего вида(филогенез), или, короче, онтогенез есть краткое повторение филогенеза.

Однако за короткий период индивидуального развития особь не может повторить все этапы эволюции, которая совершалась тысячи или миллионы лет. Поэтому повторение стадий исторического развития вида в зародышевом развитии происходит в сжатой форме, с выпадением ряда этапов. Кроме того, эмбрионы имеют сходство не со взрослыми формами предков, а с их зародышами. Так, в онтогенезе млекопитающих и рыб имеется этап, на котором у зародышей образуются жаберные дуги. У зародыша рыбы на основании этих дуг образуется орган дыхания – жаберный аппарат. В онтогенезе млекопитающих повторяется не строение жаберного аппарата взрослых рыб, а строение закладок жаберного аппарата зародыша, на основе которых у млекопитающих развиваются совершенно иные органы (хрящи гортани и трахеи). В разработки теории онтогенеза выдающуюся роль сыграли исследования академика А.Н.Северцова. Он доказал, что изменение исторического развития обусловлены изменениями хода зародышевого развития. Наследственные изменения затрагивают все стадии жизненного цикла, в том числе и зародышевый период. Мутации, возникающие в ходе развития зародыша, как правило, нарушают взаимодействие в организме и ведут к его гибели. Однако мелкие мутации могут оказаться полезными и тогда сохранятся естественным отбором. Они передадутся потомству, включатся в историческое развитие, влияя на его ход.

Практическое занятие № 5

Тема: Характеристика методов исследования, применяемых в генетике

Цель: познакомиться с методами исследования, применяемыми в генетике.

Оборудование: микроскоп, микропрепараты «Общая биология»

Задания:

Прочитать текст «Характеристика методов исследования, применяемых в генетике» и заполните таблицу

Название метода	Сущность	Примеры использования

В генетике широко применяются следующие методы исследований.

Метод – это путь исследования, который проходит ученый, решая какую-либо научную задачу, проблему.

1. Гибридологический метод исследований состоит в том, что берут организмы с резко различными признаками данного типа, например, растения с белыми и красными цветками, семенами, разными по форме или по цвету, животных с разной длиной волосяного покрова или разным цветом шерсти и т.д. Эти организмы скрещивают и изучают характер наследования потомством разных признаков.

Различают моногибридное, дигибридное и полигибридное скрещивания (ди-, три-, тетра- и далее являются вариантами полигибридного скрещивания).

При моногибридном скрещивании изучают организмы, отличающиеся признаками одного типа, например скрещивают растения с цветами разного цвета или с семенами разной формы или скрещивают комолых (безрогих) коз с рогатыми и т. д.

При дигибридном скрещивании берут организмы, обладающие разными признаками двух типов, например скрещивают горох с гладкими и желтыми семенами с горохом, у которого семена зеленые и морщинистые, или скрещивают животных с длинной черной шерстью с животными, у которых короткая и белая шерсть, и т. д.

Гибридологический метод генетических исследований применим и достаточно эффективен для организмов, дающих большое плодовитое потомство, и которые часто вступают в процессы размножения (растения с коротким сроком развития, насекомые, мелкие грызуны и т. д.).

2. Генеалогический метод исследований в генетике состоит в изучении родословных линий в потомстве. Для животных это селекционные книги потомства, для людей — родовые книги аристократов, где указываются потомки различных колен, отмечаются важнейшие признаки, в том числе и заболевания.

Этот метод используется при изучении закономерностей наследования у людей и крупных животных, дающих немногочисленное потомство и имеющих большой период достижения половой зрелости.

3. Близнецовый метод генетических исследований связан с изучением влияния окружающей среды на организмы с очень близким генотипом (в широком понимании этого термина). Этот метод тесно связан с генеалогическим и применим для изучения особенностей наследования тех же организмов, что и генеалогический метод.

Для понимания закономерностей наследования необходимо знание некоторых терминов. Ниже эти термины рассмотрены.

Важнейшим понятием генетики является ген, являющийся единицей наследственной информации и определяющий характер наследования и возможность развития признака. В гаплоидном наборе хромосом (геном прокариот или половых клеток) имеется один ген, обусловливающий тот или иной признак. В соматических клетках содержится диплоидный набор хромосом, имеются гомологичные хромосомы и каждый вид (тип) признака определяется, как правило, двумя генами.

Разновидности одного вида признака, которые взаимоисключают друг друга, называются альтернативными (например, желтый и зеленый цвет семян, длинная и короткая шерсть).

Гены по характеру их расположения в хромосомах и признакам, за развитие которых они отвечают, разделяют на аллельные и неаллельные.

Аллельными называются гены, расположенные в одинаковых локусах гомологичных хромосом и контролирующие развитие альтернативных признаков (например, гены гладкой и морщинистой поверхности семени гороха).

Неаллельные гены ведают различными неальтернативными признаками, они могут располагаться как в одной, так и в разных хромосомах (например, гены желтой окраски семени и гладкой формы поверхности семени).

Аллельные гены по характеру воздействия друг на друга разделяют на три вида: доминантные (подавляющие), рецессивные (подавляемые) и равноценные (равнодействующие, гены одинакового воздействия).

Доминантными называют такие аллельные гены, которые подавляют проявление другого альтернативного признака, за который отвечает другой аллельный ген (так, ген желтой окраски семени подавляет ген зеленой окраски семени и вновь возникшее потомство будет иметь семена желтого цвета). Эти гены обозначают прописными буквами латинского алфавита, например А, В, С и т. д.

Рецессивными называют такие аллельные гены, действие которых не проявляется в присутствии других парных им ген соответствующего альтернативного признака (так, ген морщинистой формы семени гороха не проявляется в присутствии гена гладкой формы семени гороха, за счет чего у растений, получившихся после скрещивания растений с гладкой и морщинистой поверхностью семени, будут семена с гладкой поверхностью). Эти гены обозначают строчными буквами латинского алфавита, например А1 и А2; В1 и В2и т. д.

Генами равного воздействия называют такие аллельные гены, при воздействии которых друг на друга возникают промежуточные признаки (так, гены белой и красной окраски лепестков цветка фиалки Ночная красавица, находясь в одном организме, приводят к появлению растений с розовыми цветами). Их обозначают прописными буквами латинского алфавита с индексом, например А1 и А2; В1 и В2 и т. д.

Организмы, соматические клетки которых содержат одинаковые аллельные гены, называются гомозиготными (например, АА, bb или ААВВ и т. д.).

Организмы, соматические клетки которых содержат разные аллельные гены, называются гетерозиготными (их обозначают AA, Bb, AABB).

Рецессивные признаки (признаки, за которые отвечают рецессивные гены) проявляются только в гомозиготных организмах, содержащих два одинаковых аллельных гена, ответственных за рецессивный признак.

Практическое занятие № 6

Тема: Составление простейших схем моногибридного и дигибридного скрещивания.

Цель работы: продолжить формировать умения решать генетические задачи, выработать практические навыки и умения при оценке характера наследования признаков на примере решения задач.

Ход работы

Задачи на моногибридное скрещивание

Задача № 1. У крупного рогатого скота ген, обусловливающий черную окраску шерсти, доминирует над геном, определяющим красную окраску. Какое потомство можно ожидать от скрещивания гомозиготного черного быка и красной коровы?

В генетике для генов приняты буквенные символы: доминантные гены обозначают прописными буквами, рецессивные — строчными. Ген черной окраски доминирует, поэтому его обозначим А. Ген красной окраски шерсти рецессивен — а. Следовательно, генотип черного гомозиготного быка будет АА. Каков же генотип у красной коровы? Она обладает рецессивным признаком, который может проявиться фенотипически только в гомозиготном состоянии (организме). Таким образом, ее генотип аа. Если бы в генотипе коровы был хотя бы один доминантный ген А, то окраска шерсти у нее не была бы красной.

Теперь, когда генотипы родительских особей определены, необходимо составить схему теоретического скрещивания

Дано:

А – черная окраска

А – красная окраска

Р: ♀аа×♂ АА

Г: аА

F₁: Аа

черный

Ответ: при скрещивании гомозиготного черного быка и красной коровы в потомстве следует ожидать только черных гетерозиготных телят.

Черный бык образует один тип гамет по исследуемому гену — все половые клетки будут содержать только ген А. Для удобства подсчета выписываем только типы гамет, а не все половые клетки данного животного. У гомозиготной коровы также один тип гамет — а. При слиянии таких гамет между собой образуется один, единственно возможный генотип — Аа, т.е. все потомство будет единообразно и будет нести признак родителя, имеющего доминантный фенотип — черного быка. Таким образом, можно записать следующий ответ: Следующие задачи следует решить самостоятельно, подробно описав ход решения и сформулировав полный ответ.

Задача № 2. У человека ген карих глаз доминирует над геном, обусловливающим голубые глаза. Голубоглазый мужчина, один из родителей которого имел карие глаза, женился на кареглазой женщине, у которой отец имел карие глаза, а мать — голубые. Какое потомство можно ожидать от этого брака?

Задача № 3. Альбинизм наследуется у человека как рецессивный признак. В семье, где один из супругов альбинос, а другой имеет пигментированные волосы, есть двое детей. Один ребенок альбинос, другой — с окрашенными волосами. Какова вероятность рождения следующего ребенка-альбиноса?

Задачи на дигибридное скрещивание

Задача №1. Желтая окраска горошин доминирует над зеленой, а гладкая форма над морщинистой. Какое потомство можно ожидать от скрещивания гомозиготного растения гороха имеющего желтые и гладкие семена с растением имеющего зеленые морщинистые семена?

Дано:

А – желтые

а – зеленые

В – гладкие

в - морщинистые

Р: ♀ АА ВВ Х ♂ аавв

Г: АВав

F₁:АаВв

желтые, гладкие

Задача №2. У человека некоторые формы близорукости доминируют над нормальным зрением, цвет карих глаз над голубым. Какое потомство можно ожидать от брака близорукого кареглазого мужчины с голубоглазой неблизорукой женщиной? Известно, что у мужчины отец был голубоглазым, неблизоруким. Ответ проиллюстрируйте составлением решетки Пеннета.

Задача №3. Отец с курчавыми волосами (доминантный признак) и без веснушек и мать с прямыми волосами и веснушками (доминантный признак) имеют троих детей. Все дети имеют веснушки и курчавые волосы. Каковы генотипы родителей и детей.

Задача №4. Голубоглазый правша (доминантный признак) женился на кареглазой правше. У них родилось двое детей: кареглазый левша и голубоглазый правша. Определите вероятность рождения в этой семье голубоглазых детей, владеющих преимущественно левой рукой.

Практическое занятие № 7

Тема: Решение генетических задач

Цель работы: отработка навыков решения генетических задач

Ход работы

Задача № 1. Выпишите гаметы организмов со следующими генотипами: ААВВ; aabb; ААЬЬ; ааВВ; АаВВ; Aabb; АаВЬ; ААВВСС; ААЬЬСС; АаВЬСС; АаВЬСс.

Разберем один из примеров. При решении подобных задач необходимо руководствоваться законом чистоты гамет: гамета генетически чиста, так как в нее попадает только один ген из каждой аллельной пары. Возьмем, к примеру, особь с генотипом АаВbСс. Из первой пары генов — пары А — в каждую половую клетку попадает в процессе мейоза либо ген А, либо ген а. В ту же гамету из пары генов В, расположенных в другой хромосоме, поступает ген В или b. Третья пара также в каждую половую клетку поставляет доминантный ген С или его рецессивный аллель — с. Таким образом, гамета может содержать или все доминантные гены — ABC, или же рецессивные — abc, а также их сочетания: АВс, AbC, Abe, аВС, аВс, а bС.

Чтобы не ошибиться в количестве сортов гамет, образуемых организмом с исследуемым генотипом, можно воспользоваться формулой N = 2ⁿ, где N — число типов гамет, а n — количество гетерозиготных пар генов. В правильности этой формулы легко убедиться на примерах: гетерозиготаАа имеет одну гетерозиготную пару; следовательно, N = 2¹ = 2. Она образует два сорта гамет: А и а. ДигетерозиготаАаВЬ содержит две гетерозиготные пары: N = 2² = 4, формируются четыре типа гамет: АВ, Ab, aB, ab. ТригетерозиготаАаВЬСс в соответствии с этим должна образовывать 8 сортов половых клеток N = 2³ = 8), они уже выписаны выше.

Задача № 2. У крупного рогатого скота ген комолости доминирует над геном рогатости, а ген черного цвета шерсти — над геном красной окраски. Обе пары генов находятся в разных парах хромосом.

1. Какими окажутся телята, если скрестить гетерозиготных по обеим парам

признаков быка и корову?

2. Какое потомство следует ожидать от скрещивания черного комолого быка, гетерозиготного по обеим парам признаков, с красной рогатой коровой?

Задача №3. У собак черный цвет шерсти доминирует над кофейным, а короткая шерсть — над длинной. Обе пары генов находятся в разных хромосомах. Какой процент черных короткошерстных щенков можно ожидать от скрещивания двух особей, гетерозиготных по обоим признакам?

Задача № 4. Известно, что ген гемофилии (несвертываемость крови) — рецессивный ген, локализованный в Х-хромосоме. Здоровая женщина, мать которой так же, как и она, была здоровой, а отец был гемофиликом, вышла замуж за мужчину, страдающего гемофилией. Появление какого потомства можно ожидать от этого брака (относительно рассматриваемого заболевания)?

Практическое занятие № 8

Тема: Характеристика методов исследования, применяемых в селекции

Цель: познакомиться с методами исследования, применяемыми в селекции.

Оборудование: микроскоп, микропрепараты «Общая биология»

Задания:

Прочитать текст «Характеристика методов исследования, применяемых в селекции» и заполните таблицу

Название метода	Сущность	Примеры использования

В селекции широко применяются следующие методы исследований.

Метод – это путь исследования, который проходит ученый, решая какую-либо научную задачу, проблему.

Основные методы селекции.

К методам селекции относят отбор, гибридизацию, мутагенез. Во второй половине XX в. стали применять принципиально новые методы экспериментальной биологии — клеточную и генную инженерию. Это направление легло в основу новой области биологии — биотехнологии.

Биотехнология — это промышленное использование биологических процессов и систем на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами.

В основе селекции как науки лежит разработанная Ч. Дарвином концепция искусственного отбора.

Различают два вида искусственного отбора: массовый и индивидуальный. При массовом отборе выделяют группу особей с желаемыми признаками. Потомство при таком отборе генетически неоднородно и поэтому дает расщепление признаков при размножении. В связи с этим отбор проводят в ряде поколений.

При индивидуальном отборе выделяют единичные особи с ценными качествами и отдельно выращивают их потомство. При последующем самоопылении у растений или близкородственных скрещиваниях у животных выводят чистые линии. Чистая линия — группа генетически однородных (гомозиготных) организмов, представляющих ценный исходный материал для селекции.

Отбор тем эффективнее, чем разнообразнее в наследственном отношении исходный материал. Одним из путей увеличения разнообразия материала для селекции является гибридизация. Она бывает двух видов: близкородственная, позволяющая перевести рецессивные гены в гомозиготное состояние; неродственная, помогающая объединить в одном организме гены, ответственные за ценные признаки разных особей.

При близкородственной гибридизации — инбридинге (англ. inbreeding, от in — в, внутри и breeding — разведение) — повышается степень гомозиготности организмов. Многократный инбридинг может привести к резкому ослаблению или вырождению потомков.

Неродственная гибридизация может быть внутривидовой — скрещивание особей разных сортов или пород одного вида и отдаленной — скрещивание особей разных видов и родов.

При гибридизации особей разных линий — аутбридинге (англ. out — вне и breeding — разведение) — удается получить гетерозиготные гибриды, превосходящие по своим качествам родительские формы. В этом случае проявляется эффект гетерозиса (греч. heteroiosis — изменение, превращение) — гибридной силы, основной причиной которого является отсутствие проявления вредных рецессивных аллелей в гетерозиготном состоянии.

В естественных условиях частота мутирования невелика. Повышения количества мутаций можно достичь, действуя на организм различными мутагенами (радиация, ультрафиолетовые лучи, некоторые химические вещества). Мутации не носят направленного характера, но они поставляют материал, из которого селекционер отбирает организмы с интересующими его признаками.

Клеточная инженерия основана на культивировании отдельных клеток или тканей на искусственных питательных средах. Такие клеточные культуры используются для синтеза ценных веществ, производства незараженного посадочного материала, получения клеточных гибридов. Таким путем можно получать клетки, выделяющие необходимые человеку лекарства.

Генная инженерия — это целенаправленный перенос нужных генов от одного вида живых организмов в другой, часто очень далеких по своему происхождению. Это, как считают ученые, перспективное направление, которое в недалеком будущем позволит человеку целенаправленно улучшать наследственные качества организмов, получать в неограниченном количестве ценные биологически активные вещества. В то же время многие ученые высказывают опасения, что неконтролируемые работы в области генной инженерии могут привести к созданию организмов, опасных для человека.

Методы селекции растений

На необходимость использовать в селекции растений все видовое многообразие флоры нашей планеты указывал еще академик Николай Иванович Вавилов, выдающийся генетик и селекционер. Под его руководством были организованы научные экспедиции в разные регионы Земли для сбора образцов культурных растений, их диких предков и сородичей. В ходе экспедиций было собрано более 160 тыс. образцов разных видов и сортов растений.

Н. И. Вавилов выделил 8 центров происхождения культурных растений: 1) Восточноазиатский — родина сои, проса, гречихи, многих плодовых и овощных культур; 2) Южноазиатский тропический — родина риса, сахарного тростника, цитрусовых, многих овощных культур; 3) Юго-Западноазиатский — пшеница, рожь, бобовые культуры, лен, конопля, морковь, виноград и др.; 4) Переднеазиатский — родина мягкой пшеницы, ячменя, овса; 5) Среднеземноморский — родина капусты, свеклы, маслин; б) Абиссинский — родина твердой пшеницы, сорго, бананов, кофе; 7) Центральноамериканский — родина кукурузы, какао, тыквы, табака, хлопчатника; 8) Южноамериканский — родина картофеля, ананаса, хинного дерева.

Дальнейшие исследования ученых привели к установлению еще четырех центров; Австралийского, Африканского, Европейско-Сибирского и Североамериканского.

Закон гомологических рядов наследственной изменчивости.

Н. И. Вавилов сформулировал закон гомологических рядов наследственной изменчивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости. Целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство».

Н. И. Вавилов показал, что сходные признаки наблюдаются у разных видов данного семейства. Так, у пшеницы, ячменя, овса и кукурузы бывает белая, красная и черная окраска зерновок, существуют голые и пленчатые зерновки, встречаются колосья с длинными и короткими остями, безостые и с вздутиями вместо остей. В ходе последующих наблюдений было выяснено, что данный закон применим не только для растений, но распространяется на животных и микроорганизмы. Так, альбинизм встречается у всех классов позвоночных животных, короткопалость наблюдается у всех пород крупного рогатого скота, овец и собак.

Основные методы селекции растений.

Отбор и гибридизация являются основными и традиционными методами селекции растений. Применяя массовый или индивидуальный отбор, селекционер не создает ничего нового, а выделяет растения с полезными качествами, уже имеющиеся в популяции. Этим методом выведены многие сорта, в том числе так называемые сорта народной селекции, например знаменитый по своим качествам сорт яблони Антоновка.

Для создания сортов растений с запрограммированными качествами ведется специальная целенаправленная работа — подбирается исходный материал, проводится гибридизация с последующим отбором.

Используя метод гибридизации с последующим отбором, селекционеры получили ценные высокоурожайные сорта пшеницы, ржи, подсолнечника, овощных, плодовых и других культур.

В селекции растений широко применяется явление гетерозиса.

Сначала выводят ряд отличающихся друг от друга чистых линий, а затем производят межлинейное скрещивание.

Выяснив, в каких случаях эффект гетерозиса проявляется наиболее сильно, используют лишь эти линии для получения гибридных семян. Эта методика применяется для получения высоких урожаев кукурузы, огурцов, томатов и других культур.

Полиплоидию (кратное увеличение числа хромосом) использовали при создании сортов пшеницы, овса, картофеля, хлопчатника, плодовых, декоративных и других культур. Полиплоидные растения появлялись в популяциях случайно в результате естественных мутаций. В настоящее время применяют методы искусственного получения полиплоидов, воздействуя на растения разными мутагенами (в основном колхицином), разрушающими веретено деления клетки. Таким образом из диплоидных (2n) можно получить тетраплоидные (4n) формы.

Полиплоидные растения могут отличаться более крупными размерами, высокой урожайностью и более активным синтезом органических веществ. Использование метода полиплоидии позволило селекционерам получить ценные сорта сахарной свеклы, ржи, гречихи, фасоли и других культур.

Методы клеточной инженерии.

Селекционеры все шире начинают применять для получения новых сортов растений методы клеточной инженерии. В качестве примера можно привести работу по соматической гибридизации двух видов картофеля: культурного и дикого. Для гибридизации использовались протопласты (греч. protos — первый и греч. plastos — вылепленный, образованный) — клетки, полностью лишенные клеточной стенки (оболочки) и имеющие только клеточную мембрану, которая ограничивает цитоплазму с различными органоидами.

Полученный соматический гибрид в сравнении с родительскими формами имел промежуточные характеристики по форме листа, величине клубней, но отличался большей мощностью куста и высотой стеблей, благодаря чему и был включен в дальнейшую практическую селекционную работу.

Метод вегетативного размножения культурой тканей широко применяется в селекции для быстрого размножения новых перспективных сортов растений.

Методы селекции животных

Основные методы селекции животных.

Методы селекции животных те же, что и методы селекции растений, но при их применении селекционерам приходится учитывать ряд особенностей, характерных для животных. Животные размножаются только половым путем, а количество особей в потомстве невелико. В связи с этим селекционеру важно определить наследственные признаки, которые непосредственно у производителей могут не проявляться. Поэтому значительную роль приобретает оценка животных по их родословной и по качеству их потомства. Часто большое значение имеет учет экстерьера, т. е. совокупности внешних признаков животного.

Анализ и обобщение опыта многих поколений по выведению новых пород животных позволил разработать методы и правила селекции животных, сформировав ее как науку.

К основным направлениям селекции животных относят:

1. - сочетание высокой продуктивности с приспособленностью пород к условиям среды конкретных природных зон;

2. —    повышение роли качественных показателей продуктивности животных (жирномолочность, соотношение мяса, жира и костей у мясных животных, качество меха и шерсти и т. д.);

3. —    выведение пород интенсивного типа, снижающих экономические затраты;

4. —    повышение устойчивости к заболеваниям и др.

Гибридизация и индивидуальный отбор являются основными методами в селекции животных. Массовый отбор практически не применяется из-за небольшого количества особей в потомстве.

В селекции животных применяют два вида гибридизации: родственную (инбридинг) и неродственную (аутбридинг).

Родственное скрещивание между братьями и сестрами или между родителями и потомством ведет к гомозиготности и часто сопровождается ослаблением животных, уменьшению их устойчивости к неблагоприятным факторам среды, снижению плодовитости и т. д. Тем не менее инбридинг применяют в селекции животных с целью закрепления в породе характерных хозяйственно ценных признаков. Как правило, близкородственное скрещивание ведется в нескольких линиях внутри породы. Для устранения неблагоприятных последствий инбридинга используют неродственное скрещивание разных линий или даже разных пород. Это скрещивание сопровождается строгим отбором, что позволяет усиливать и поддерживать ценные качества породы.

Сочетание близкородственного скрещивания с неродственным широко применяется селекционерами для выведения новых пород животных. Так, известный селекционер М. Ф. Иванов, используя эту методику, создал высокопродуктивную породу свиней Белая степная украинская, породу овец Асканийская рамбулье и др.
Важным направлением в селекции животных является использование явления гетерозиса. Особенно широко это направление применяется в птицеводстве, например для получения бройлерных цыплят.

Метод полиплоидии в селекции животных практически не применяется. Исключение составляет выведение генетиком В. Л. Астауровым полиплоидных гибридов тутового шелкопряда, размножавшихся партеногенезом.
Вы уже знаете, что межвидовые гибриды лошади с ослом (мул), одногорбого и двугорбого верблюдов (нар), яка с крупным рогатым скотом и других с древних времен используются человеком. Эти гибриды обладают повышенной выносливостью по сравнению с родителями.

В некоторых случаях отдаленная гибридизация домашних животных с дикими предками дает плодовитое потомство и может быть использована в селекции. Так, в результате скрещивания тонкорунных овец мериносов с диким бараном архаром были получены тонкорунные архаромериносы, которые могут круглогодично пастись на высокогорных пастбищах. В результате скрещивания крупного рогатого скота с горбатым зебу получены ценные группы молочного скота.

В селекции животных, кроме описанных выше методов, применяют искусственное осеменение (введение полученной от высокоценных самцов спермы в половые пути самки с целью ее оплодотворения) и полиэмбрионию (искусственное образование нескольких зародышей из одной зиготы ценных пород с последующим их введением в матку беспородных животных). Эти методы позволяют в несколько раз увеличить скорость получения потомства от ценных производителей.

Методы клеточной инженерии.

Успехи клеточной инженерии могут открыть новые возможности в селекции животных. В 1997 г. научная общественность была взбудоражена сообщением, что в Англии были проведены успешные эксперименты по генетическому клонированию овцы. Для этого использовали ядра соматических клеток, полученных из ткани молочной железы взрослой овцы. Из яйцеклетки удалялось Ядро и замещалось ядром соматической клетки. Образовавшуюся диплоидную зиготу стимулировали к дроблению электрошоком и трансплантировали в овцу-реципиента, Через 148 дней приемная мама родила живую овечку, ее назвали Долли.

Открытие английских ученых показало, что соматические клетки взрослого организма млекопитающих способны передавать полную информацию о всех признаках, характерных для взрослой особи. Следовательно, как считали ученые, открываются возможности воспроизведения многочисленных генетических копий выдающихся по продуктивности животных-рекордистов. Но в ходе дальнейших наблюдений за овечкой Долли было установлено, что она стала очень быстро стареть. К тому времени, когда Долли достигла размеров взрослой овцы, ее физиологическое состояние было такое же, как у старой особи. Это поставило под сомнение целесообразность клонирования животных.

Селекция микроорганизмов

Микроорганизмы и особенности их селекции.

К микроорганизмам относят всех прокариот, а из эукариот — простейших, микроскопические формы грибов и водорослей. Все они находят широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и энергетике. Роль микроорганизмов в производстве лекарств, биологически активных соединений, кормовых добавок, бактериальных удобрений, в хлебопечении, виноделии, в производстве многих молочных продуктов невозможно переоценить. В связи с этим постоянно ведется поиск новых высокопродуктивных штаммов микроорганизмов.

Селекция микроорганизмов, в отличие от селекции-растений и животных, имеет ряд особенностей. На небольшой площади в специальных аппаратах с питательной средой в считанные дни можно вырастить миллиарды особей.

Мутационный процесс в селекции микроорганизмов можно использовать более эффективно, чем у высших организмов, так как геном большинства микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявлять любые мутации уже в первом поколении.

Методы селекции микроорганизмов.

От методов селекции высших эукариот они отличаются существенно. До недавнего времени основными методами получения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов были искусственный мутагенез и последующий отбор групп генетически идентичных клеток — клонов. После выделения из дикого штамма микроорганизмов, обладающих полезными для человека свойствами, проводится отбор наиболее продуктивных штаммов среди них. Следующий этап, как правило, — применение искусственного мутагенеза, позволяющего усилить появление различных мутаций. В качестве мутагенов используются ионизирующие излучения, некоторые химические вещества, а также ультрафиолетовое излучение, обладающее хотя и низкой проникающей способностью, но достаточной для появления мутаций у микроорганизмов.

Вероятность возникновения мутаций у микроорганизмов та же, что и у всех других организмов, — примерно 1 мутация на 1 млн особей по каждому гену. Однако, учитывая то, что получить миллионное и миллиардное потомство у микроорганизмов нетрудно, вероятность выделения мутаций по данному гену достаточно высокая.
Для получения культуры микроорганизмов — мутантов с нужными качествами учеными-селекционерами разработаны специальные методы отбора. Отобранный клон подвергается многократному пересеву на питательную среду с контролем на образование требуемого продукта. Цель такого многократного клонирования — получение наиболее однородной популяции клеток. После получения продуктивных штаммов приступают к их размножению. Использование данной технологии позволило селекционерам получить штаммы, продуктивность которых в сотни и тысячи раз выше по сравнению с исходными штаммами микроорганизмов, взятыми из природы.
Генная инженерия.

Успехи, достигнутые молекулярной биологией и генетикой в изучении микроорганизмов, а также ограниченность возможностей традиционной селекции привели к созданию новых методов целенаправленного и контролируемого получения микроорганизмов с заданными свойствами.

В основе этих технологий лежат приемы генной инженерии. Они позволяют выделять необходимый ген и вводить его в новое генетическое окружение с целью создания организма с новыми, заранее предопределенными признаками.

Методы генной инженерии остаются еще очень сложными и дорогостоящими. Но уже сейчас с их помощью в промышленности получают такие важные медицинские препараты, как интерферон, гормоны роста, инсулин и др.

Селекция микроорганизмов является важнейшим направлением в биотехнологии.

Современное состояние и перспективы биотехнологии.

Биотехнология в практической деятельности человека.

С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в сферах практической деятельности человека. К ним относятся хлебопечение, виноделие, пивоварение, приготовление кисломолочных продуктов и т. д. Наши предки не имели представления о сути процессов, лежащих в основе таких технологий, но в течение тысячелетий, используя метод проб и ошибок, совершенствовали их. Биологическая сущность этих процессов была выявлена лишь в XIX в. благодаря научным открытиям Л. Пастера. Его работы послужили основой для развития производств с использованием разнообразных видов микроорганизмов. В первой половине XX в. стали применять микробиологические процессы для промышленного получения ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка.

Успехи, достигнутые во второй половине XX в. в области цитологии, биохимии, молекулярной биологии и генетики, создали предпосылки для управления элементарными механизмами жизнедеятельности клетки, что способствовало бурному развитию биотехнологии. Благодаря селекции высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, эффективность биотехнологических процессов увеличилась в десятки и сотни раз.
Особенностью биотехнологии является то, что она сочетает в себе самые передовые достижения научно-технического прогресса с накопленным опытом прошлого, выражающимся в использовании природных источников для создания полезных для человека продуктов. Любой биотехнологический процесс включает ряд этапов:

подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование полученных продуктов. Многоэтапность и сложность процесса обусловливает необходимость привлечения к его осуществлению самых разных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, цитологов, биохимиков, вирусологов, микробиологов и физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологического оборудования и др.

Перспективы развития биотехнологии.

Дальнейшее развитие биотехнологии как отрасли сельскохозяйственного производства позволит решить многие важные проблемы человечества.

Острейшей проблемой в целом ряде слаборазвитых стран, стоящей перед человечеством, является нехватка продовольствия. В связи с этим усилия биотехнологов направлены на повышение эффективности растениеводства и животноводства.

Культурные растения страдают от сорняков, насекомых-вредителей, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов и т, д. Перечисленные вредные факторы наряду с неблагоприятными погодными условиями значительно снижают урожайность сельскохозяйственных растений. Ученые не только создают высокоурожайные сорта растений, устойчивые к неблагоприятным факторам, но и разрабатывают биотехнологические пути защиты растений. На промышленную основу поставлен выпуск биологических средств борьбы с вредителями на основе использования их естественных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемых живыми организмами.
Важное место в повышении урожайности растений отводится биологическим удобрениям, включающим в себя различные бактерии. Так, азотобактерин обогащает почву не только азотом, но и витаминами, фитогормонами и биорегуляторами. Препарат фосфобактерин превращает сложные органические соединения фосфора в простые, легко усвояемые растениями.

Все большее распространение получает использование биогумуса — высокоэффективного естественного органического удобрения. Его получают в процессе переработки органических отходов дождевыми червями. В настоящее время для этой цели используется выведенный селекционерами США красный калифорнийский червь, который обеспечивает быстрый прирост биомассы и скорейшую утилизацию субстрата. Как показали исследования, биогумус значительно эффективнее других удобрений, существенно повышает плодородие почвы и ее устойчивость к водной и ветровой эрозии, быстро восстанавливает плодородие низкоплодородных участков, улучшает экологическую обстановку. Промышленное получение биогумуса освоено во многих странах. В нашей стране промышленным разведением червей на основе использования органических отходов для производства биогумуса занимаются с 80-х годов XX столетия.

В последние годы повышается интерес к дождевым червям как к источнику животного белка для сбалансирования кормовых рационов животных, птиц, рыб, пушных зверей, а также белковой добавки, обладающей лечебно-профилактическими свойствами.

Все шире на промышленной основе применяется метод вегетативного размножения сельскохозяйственных растений культурой тканей. Он позволяет не только быстро размножить новые перспективные сорта растений, но и получить незараженный вирусами посадочный материал.

Для повышения продуктивности животных нужен полноценный корм. Микробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов — бактерий, грибов, дрожжей, водорослей. Как показали промышленные испытания, богатая белками биомасса одноклеточных организмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет сэкономить 5—7 т зерна. Это имеет большое значение, поскольку 80% площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице.

Особенно широко успехи биотехнологии применяются в медицине. В настоящее время с помощью биосинтеза получают антибиотики, ферменты, аминокислоты, гормоны.

Например, гормоны раньше, как правило, получали из органов и тканей животных. Даже для получения небольшого количества лечебного препарата требовалось много исходного материала. Следовательно, трудно было получить необходимое количество препарата, и он был очень дорог.

Так, инсулин, гормон поджелудочной железы, — основное средство лечения при сахарном диабете. Этот гормон надо вводить больным постоянно. Производство его из поджелудочной железы свиньи или крупного рогатого скота сложно и дорого. К тому же молекулы инсулина животных отличаются от молекул инсулина человека, что нередко вызывало аллергические реакции, особенно у детей, В настоящее время налажено биохимическое производство человеческого инсулина. Был получен ген, осуществляющий синтез инсулина. С помощью генной инженерии этот ген был введен в бактериальную клетку, которая в результате приобрела способность синтезировать инсулин человека.

Помимо получения лечебных средств, биотехнология позволяет проводить раннюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, ДНК/РНК-проб.
С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней.

Угроза исчерпания традиционных источников энергии побудила человечество к поиску альтернативных путей ее получения. Биотехнология позволяет получать экологически чистые виды топлива путем биопереработки отходов промышленного и сельскохозяйственного производств. Например, созданы установки, в которых используются бактерии для переработки навоза и других органических отходов в биогаз. Из 1 т навоза получают до 500 м3 биогаза, что эквивалентно 350 л бензина, при этом качество навоза как удобрения улучшается.

Биотехнологические разработки находят все большее применение в добыче и переработке полезных ископаемых.
Несомненно, уже полученные и ожидаемые в будущем достижения в области биотехнологии будут использоваться практически во всех сферах человеческой деятельности. В то же время современные исследования требуют тщательного анализа всех возможных опасных последствий их проведения.

В настоящее время во многих странах, в том числе и в России, активно разрабатываются законы, направленные на то, чтобы ввести в правовые рамки работы по генной инженерии, по практическому использованию трансгенных организмов, а также исследований по клонированию человека. Важно, чтобы новые научные исследования и разработки в биотехнологии были направлены на благо человечества.

Практическое занятие № 9.

Тема: «Анализ различных гипотез возникновения жизни».

Цель: ознакомиться с различными теориями и гипотезами происхождения жизни на Земле.

Оборудование: теоретический материал по теме.

Краткие теоретические сведения.

Существует пять концепций возникновения жизни:

1. Жизнь была создана Творцом в определённое время –креационизм.

2. Жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества (её придерживался ещё Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы).

3. Концепция стационарного состояния в соответствии с которой жизнь существовала всегда.

4. Концепция панспермии – внеземного происхождения жизни;

5. Концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов подчиняющихся физическим и химическим законам (биохимическая эволюция).

1. Креационизм.

Креационизм (лат. сгеа — создание). Согласно этой концепции, жизнь и все населяющие Землю виды живых существ являются результатом  творческого акта высшего существа в какое-то определенное время. Основные положения креационизма изложены в Библии, в Книге Бытия. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а поэтому она никогда не будет в состоянии ни доказать, ни отвергнуть эту концепцию. 

2. Самозарождение жизни (витализм).

Идеи происхождения живых существ из неживой материи были распространены в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Крупнейший философ Древней Греции Аристотель высказал мысль о том, что определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм.  
           Ван Гельмонт (1579—1644), голландский врач и натурфилософ, описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот.  
           В ХVII—ХVIII веках благодаря успехам в изучении низших организмов, оплодотворения и развития животных, а также наблюдениям и экспериментам итальянского естествоиспытателя Ф. Реди (1626—1697), голландского микроскописта А. Левенгука (1632—1723), итальянского ученого Л. Спалланцани (1729—1799), русского микроскописта М. М. Тереховского (1740—1796) и других вера в самопроизвольное зарождение была основательно подорвана.

Споры но поводу возможности самозарождения жизни активизировались в связи с открытием микроорганизмов. Если сложные живые существа не могут самозарождаться, возможно, это могут микроорганизмы?

В связи с этим в 1859 г. французская Академия объявила о присуждении премии тому, кто окончательно решит вопрос о возможности или невозможности самозарождения жизни. Эту премию получил в 1862 г. знаменитый французский химик и микробиолог Луи Пастер. Так же как Спаланцани, он прокипятил питательный бульон в стеклянной колбе, но колба была не обычная, а с горлышком в виде 5-образной трубки. Воздух, а следовательно и «жизненная сила», могли проникать в колбу, но пыль, а вместе с нею и микроорганизмы, присутствующие в воздухе, оседали в нижнем колене 5-образной трубки, и бульон в колбе оставался стерильным (рис). Однако стоило сломать горло колбы или ополоснуть стерильным бульоном нижнее колено 5-образной трубки, как бульон начинал быстро мутнеть — в нем появлялись микроорганизмы.

Таким образом, благодаря работам Луи Пастера теория самозарождения была признана несостоятельной и в научном мире утвердилась теория биогенеза, краткая формулировка которой — «все живое — от живого».

Однако, если все живые организмы в исторически обозримый период развития человечества происходят только от других живых организмов, естественно возникает вопрос: когда и каким образом появились на Земле первые живые организмы?

1. Теория стационарного состояния.

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало; виды тоже существовали всегда.

Современные методы датирования дают все более вы­сокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонни­кам теории стационарного состояния полагать, что Земля и виды существовали всегда. У каждого вида есть две возможности — либо изменение численности, либо вы­мирание.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб — латимерию. По палеонтологическим данным, кистеперые вымерли около 70 млн. лет назад. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что, только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно делать вывод о вымирании, да и то он может оказаться невер­ным. Внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте объясняется увеличением числен­ности его популяции или перемещением в места, благо­приятные для сохранения остатков.

4. Теория панспермии.

Эта теория не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвига­ет идею о ее внеземном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему в какое-то другое место во Вселенной. Гипотеза была выдвинута Ю. Либихом и Г. Рихтером в середине XIX века.

Согласно гипотезе панспермии жизнь существует веч­но и переносится с планеты на планету метеоритами. Простейшие организмы или их споры («семена жизни»), попадая на новую планету и найдя здесь благоприятные условия, размножаются, давая начало эволюции от про­стейших форм к сложным. Возможно, что жизнь на Земле возникла из одной - единственной колонии микроорганиз­мов, заброшенных из космоса.

Для обоснования этой теории используются многократ­ные появления НЛО, наскальные изображения предме­тов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сооб­щения якобы о встречах с инопланетянами. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» — такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соедине­ния, которые, возможно, сыграли роль «семян», падав­ших на голую Землю.

Сторонниками этой гипотезы были лауреаты Нобелев­ской премии Ф. Крик, Л. Оргел. Ф. Крик основывался на двух косвенных доказательствах:

• универсальности генетического кода;

• необходимости для нормального метаболизма всех живых существ молибдена, который встречается сей­час на планете крайне редко.

Но если жизнь возникла не на Земле, то как она воз­никла вне ее?

5. Гипотеза биохимической эволюции. 

В 1924 г. биохимиком А. И. Опариным, а позднее английским ученым Дж. Холдейном (1929) была сформулировала гипотеза, рассматривающая жизнь как результат длительной эволюции углеродных соединений.  
         Современная теория возникновения жизни на Земле, называемая теорией биопоэза, была сформулирована в 1947 г. английским ученым Дж. Берналом.

В настоящее время в процессе становления жизни условно выделяют четыре этапа: 
1. Синтез низкомолекулярных органических соединении (биологических мономеров) из газов первичной атмосферы. 
2. Образование биологических полимеров. 
3. Формирование фазообособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами (протобионтов). 
4. Возникновение простейших клеток, обладающих свойствами живого, в том числе репродуктивным аппаратом, обеспечивающим передачу дочерним клеткам свойств клеток родительских.  
          Первые три этапа относят к периоду химической эволюции, а с четвертого начинается эволюция биологическая.  
          Рассмотрим более подробно процессы, в результате которых на Земле могла возникнуть жизнь. Согласно современным представлениям, Земля сформировалась около 4,6 млрд. лет назад. Температура ее поверхности была очень высокой (4000—8000° С), и по мере остывания планеты и действия гравитационных сил происходило образование земной коры из соединений раз личных элементов.  
          Процессы дегазации привели к созданию атмосферы, обогащенной, возможно, азотом аммиаком, парами воды, углекислым и угарным газами. Такая атмосфера была, по-видимому, восстановительной, о чем свидетельствует наличие в самых древних горных породах Земли металлов в восстановленной форме, таких, как, например, двухвалентное железо. Важно отметить при этом, что в атмосфере имелись атомы водорода, углерода, кислорода и азота, составляющие 99% атомов, входящих в мягкие ткани любого живого организма.  
          Однако, чтобы атомы превратились в сложные молекулы, простых столкновений их было недостаточно. Нужна была дополнительная энергия, которая имелась на Земле как результат вулканической деятельности, электрических грозовых разрядов, радиоактивности, ультрафиолетового излучения Солнца.  
        Отсутствие свободного кислорода было, вероятно, недостаточным условием для возникновения жизни. Если бы свободный кислород присутствовал на Земле в добиотический период, то, с одной стороны, он окислял бы синтезирующиеся органические вещества, а с другой - образуя озоновый слой в верхних горизонтах атмосферы, поглощал бы высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца. В рассматриваемый период возникновения жизни, длившийся примерно 1000 млн. лет, ультрафиолет был, вероятно, основным источником энергии для синтеза органических веществ.  
       Из водорода, азота и соединений углерода при наличии свободной энергии на Земле должны были возникать сначала простые молекулы (аммиак, метан и подобные простые соединения). В дальнейшем эти несложные молекулы в первичном океане могли вступать в реакции между собой и с другими веществами, образуя новые соединения.  
       В 1953 году американский исследователь Стенли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, существовавшие на Земле приблизительно 4 млрд. лет назад.  
       Пропуская электрические разряды через смесь аммиака, метана, водорода и паров воды, он получил ряд аминокислот, альдегидов, молочную, уксусную и другие органические кислоты. Американский биохимик Сирил Поннаперума добился образования нуклеотидов и АТФ. В ходе таких и аналогичных им реакций воды первичного океана могли насыщаться различными веществами, образуя так называемый «первичный бульон».  
       Второй этап состоял в дальнейших превращениях органических веществ и образовании абиогенным путем более сложных органических соединений, в том числе и биологических полимеров.  
       Американский химик С. Фокс составлял смеси аминокислот, подвергал их нагреванию и получал протеиподобные вещества. На первобытной земле синтез белка мог проходить на поверхности земной коры. В небольших углублениях в застывающей лаве возникали водоемы, содержащие растворенные в воде малые молекулы, в том числе и аминокислоты. Когда вода испарялась или выплескивалась на горячие камни, аминокислоты вступали в реакцию, образуя протеноиды. Затем дожди смывали протеноиды в воду. Если некоторые из этих протеноидов обладали каталитической активностью, то мог начаться синтез полимеров, т. е. белковоподобных молекул.  
       Третий этап характеризовался выделением в первичном «питательном бульоне» особых коацерватных капель, представляющих собой группы полимерных соединений. Было показано в ряде опытов, что образование коацерватных суспензий, или микросфер, типично для многих биологических полимеров в растворе. Коацерватные капли обладают некоторыми свойствами, характерными и для живой протоплазмы, как, например, избирательно адсорбировать вещества из окружающего раствора и за счет этого «расти», увеличивать свои размеры.  
       Благодаря тому, что концентрация веществ в коацерватных каплях была в десятки раз больше, чем в окружающем растворе, возможность взаимодействия между отдельными молекулами значительно возрастала. 
       Известно, что молекулы многих веществ, в частности полипептидов и жиров, состоят из частей, обладающих разным отношением к воде. Гидрофильные части молекул, расположенные на границе между коацерватами и раствором, поворачиваются в сторону раствора, где содержание воды больше. Гидрофобные части ориентируются внутрь коацерватов, где концентрация воды меньше. В результате поверхность коацерватов приобретает определенную структуру и в связи с этим свойство пропускать в определенном направлении одни вещества и не пропускать другие. Благодаря этому свойству концентрация некоторых веществ внутри коацерватов еще больше возрастает, концентрация других уменьшается, и реакции между компонентами коацерватов приобретают определенную направленность. Коацерватные капли становятся системами, обособленными от среды. Возникают протоклетки, или протобионты.  
        Важным этапом химической эволюции явилось образование мембранной структуры. Параллельно с появлением мембраны шло упорядочение и усовершенствование метаболизма. В дальнейшем усложнении обмена веществ в таких системах существенную роль должны были играть катализаторы.  
       Одним из основных признаков живого является способность к репликации, т. е. созданию копий, не отличаемых от материнских молекул. Таким свойством обладают нуклеиновые кислоты, которые в отличие от белков способны к репликации. В коацерватах мог образовываться протеноид, способный катализировать полимеризацию нуклеотидов с образованием коротких цепочек РНК. Эти цепочки могли выполнять роль как примитивного гена, так и информационной РНК. В этом процессе не участвовали еще ни ДНК, ни рибосомы, ни транспортные РНК, ни ферменты белкового синтеза. Все они появились позже.  
       Уже на стадии формирования протобионтов имел место, вероятно, естественный отбор, т. е. сохранение одних форм и элиминация (гибель) других. Так прогрессивные изменения в структуре протобионтов закреплялись благодаря отбору.  
       Появление структур, способных к самовоспроизведению, репликации, изменчивости определяет, по-видимому, четвертый этап становления жизни.  
      Итак, в позднем архее (приблизительно 3,5 млрд. лет назад) на дне небольших водоемов или мелководных, теплых и богатых питательными веществами морей возникли первые примитивные живые организмы, которые по типу питания были гетеротрофами, т. е. питались готовыми органическими веществами, синтезированными в ходе химической эволюции. Способом обмена веществ им служило, вероятно, брожение — процесс ферментативного превращения органических веществ, в котором акцепторами электронов служат другие органические вещества.  
           Часть энергии, выделяемой в этих процессах, запасается в виде АТФ. Возможно, некоторые организмы для жизненных процессов использовали и энергию окислительно-восстановительных реакций, т. е. были хемосинтетиками.  
           Со временем происходило уменьшение запасов свободной органики в окружающей среде и преимущество получили организмы, способные синтезировать органические соединения из неорганических. Таким путем, вероятно, около 2 млрд. лет назад возникли первые фототрофные организмы типа цианобактерий, способные использовать световую энергию для синтеза органических соединений из СО₂ и Н₂О выделяя при этом свободный кислород.  
        Переход к автотрофному питанию имел большое значениё для эволюции жизни на Земле не только с точки зрения создания запасов органического вещества, но и для насыщения атмосферы кислородом. При этом атмосфера стала приобретать окислительный характер.  
          Появление озонового экрана защитило первичные организмы от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей и положило конец абиогенному (небиологическому) синтезу органических веществ.  
          Таковы современные научные представления об основных этапах происхождения и становления жизни в Земле. 

Содержание отчета.

Выполните задания.

1. Перечислите существующие теории и гипотезы возникновения жизни на Земле.

2. Используя теоретический материал, заполните таблицу

Теории и гипотезы	Сущность теории или гипотезы	Доказательства (есть или нет)

1. На основании произведенного анализа сделайте вывод о том, какая из гипотез происхождения жизни на Земле, по Вашему мнению, является более вероятной. Какой теории придерживаетесь вы лично? Почему?

2. Сделайте общий вывод.

Практическое занятие № 10.

Тема: «Анализ процесса усложнения живых организмов в процессе эволюции».

Цель: Рассмотреть основные направления эволюционного процесса и выявить соотношения направлений эволюции по А.Н.Северцову.

Задачи:

Образовательная – сформировать понятие о биологическом прогрессе и биологическом регрессе, охарактеризовать три основных направления эволюции, позволяющие организмам достичь биологического прогресса, рассмотреть характерные пути каждого из путей достижения биологического прогресса на примерах животного и растительного мира; значение работ Северцова А.Н. в описании соотношения направлений эволюции животных;

Развивающая – продолжить формирование умений и навыков самостоятельной работы, выделять главное, анализировать, сравнивать.

1. Биосфера — гигантская экологическая система, заселенная разнообразными видами растений (около 0,5 млн.), животных (примерно в 3—4 раза больше, чем видов растений), грибов (около 100 тыс. видов), бактерий (около 25 тыс. видов), связанными между собой генетическими, пищевыми, территориальными и др. связями.

2. Причины многообразия видов. Их возникновение благодаря наследственной изменчивости, действию борьбы за существование и естественного отбора.

3. Неоднородность вида в пределах ареала, наличие в нем относительно обособленных, однородных по составу групп особей — популяций. Популяция — форма существования вида, единица эволюции, в недрах которой зарождается новый вид.

4. Предполагаемые этапы видообразования: 1) возникновение у особей мутаций; 2) скрещивание этих особей и распространение в популяции мутаций — причина ее неоднородности; 3) действие различных форм борьбы за существование (межвидовой, внутривидовой; борьбы с неблагоприятными условиями); 4) естественный отбор, сохранение в популяции особей преимущественно с полезными мутациями для конкретных условий среды, оставление ими потомства; 5) изменение генофонда популяции, зарождение нового вида в результате наследственной изменчивости, борьбы за существование, естественного отбора.

5. Биологический прогресс — направление эволюции, для которого характерно увеличение численности вида, расширение его ареала, образование новых популяций, видов. Примеры эволюции видов по пути прогресса: заяц-русак (около 20 подвидов), виды круглых паразитических червей.

6. Биологический регресс — направление эволюции, которое приводит к сокращению численности вида, сужению его ареала, уменьшению числа популяций вида и, возможно, в конечном счете к его гибели. Глобальные экологические изменения, вызванные деятельностью человека, непосредственное уничтожение особей — основные причины биологического регресса.

7. Деятельность человека — мощный фактор биологического прогресса и регресса. Примеры прогресса: появление устойчивых к ядохимикатам видов насекомых-вредителей, к лекарствам — болезнетворных бактерий, бурное развитие в загрязненных водоемах сине-зеленых. Примеры регресса: сокращение численности промысловых видов млекопитающих, рыб в результате нерегулируемого промысла, рыбной ловли. Меры, сдерживающие и предупреждающие биологический регресс (регулирование численности популяций, рациональное использование природных ресурсов).

8. Исчезновение вида в экосистеме, особенно доминирующего, — причина исчезновения других связанных с ним видов. Вымирание видов — причина обеднения генофонда, его невосполнимость. Сохранение биологического разнообразия в экосистемах, среды обитания видов — основа поддержания стабильности биосферы.

Задание: «Составление сравнительной таблицы биологического прогресса и регресса»

Сравнение биологического прогресса и регресса

Задание 1. Распределите нижеприведенные признаки направлений эволюции на 2 колонки:

Биологический прогресс	Биологический регресс

1. Повышенная миграционная активность

2. Возникновение новых внутривидовых форм

3. Расширение ареала

4. Сужение ареала

5. Снижение численности особей

6. Уменьшение разнообразия внутривидовых форм

Задание 2. Прочитайте текст. Определите, к какому направлению эволюции относятся те или иные примеры:

- ареал зайца русака увеличивается, и за последнее 100 лет образовывалось 20 новых подвидов;

- нематоды (круглые черви) распространены в почве морской и пресной воде, являются паразитами растений, животных и человека;

- эволюция домового воробья, легко приспособился к обитанию в поселениях человека, расширил свой ареал, возникло много новых популяций.

- хвощи и плауны (расцвет в карбоне);

- человек способствует регрессу промысловых животных: бобра, зубра и т.д.

- вследствие усиленного отстрела резко сократилось численность, и сузился ареал соболя

Задание 3. Приведите примеры видов животных или растений, исчезнувших в результате биологического регресса

Проблемный вопрос: Как вы думаете, прогресс или регресс выгоден природе?

Чтобы решить этот вопрос надо сначала ответить на другой вопрос: А каковы пути достижения биологического прогресса?

Основные направления эволюции по А.Н.Северцову

Ответ на этот вопрос дает академик, крупнейший русский зоолог и теоретик-эволюционист, живший в XIX веке, Алексей Николаевич Северцов. Он назвал три пути.

• Ароморфоз – это направление эволюции, ведущее к повышению уровня организации, к образованию новых классов, отделов, типов

Примеры ароморфозов:

- половой процесс, резко повысивший наследственную изменчивость;

- фотосинтез, сделавший возможным использование солнечной энергии растениями;

- многоклеточность, открывшая широкие возможности усложнения строения и физиологии

• Идиоадаптация – это направление эволюции, ведущее к частным приспособлениям организмов к определенному образу жизни, к появлению видов, родов, семейств

Примеры идиоадаптаций:

- покровительственная окраска животных;

- приспособления придонных рыб (камбала, скаты) – плоская форма тела;

- строение лап у птиц – характер добычи пищи и объект охоты;

- колючки растений;

- преобразования пятипалой конечности (копытные) или форма тела и его окраска (кошачьи).

• Общая дегенерация – это направление эволюции, ведущее к упрощению организации и биологическому прогрессу

Пример дегенерации:

- переход на сидячий образ жизни у асцидии или к паразитизму у плоских червей.

А теперь вы сами попробуете выявить ароморфозы  у 3 типов и 1 класса  животных

А – возникновение хорды;

В – появление двухсторонней симметрии;

Г возникновение расчленённых конечностей;

Д – появление трахеи;

Е – появление хитинового покрова;

Ж – расчленение тела на сегменты.

Организмы	Ароморфозы
Плоские черви
Кольчатые черви
Насекомые
Хордовые

• Подведем итог:

К чему приводят: ароморфоз, идиоадаптация и дегенерация?

Биологический прогресс	Биологический регресс

Проблемный вопрос: Какой из этих путей делает больший вклад в процесс эволюции?

Практическое занятие № 11.

Тема: «Изучение приспособленности организмов к среде обитания».

Вариант №1

Цель: Изучить приспособленность организмов к среде обитания. Научиться анализировать и сравнивать.

Оборудование:

1. учебник С.Г. Мамонтов, В.Б. Захаров (с. 236-237),

2. тетрадь, ручка, простой карандаш, линейка,

3. гербарии, кабинетные растения,

4. справочники,

5. кабинетные растения.

Ход работы:

1. Используя материалы учебника и дополнительную литературу, а также гербарии, кабинетные растения или рисунки заполни таблицу.

«Сравнительная характеристика приспособления организмов к среде обитания»:

Объект изучения	Признаки приспособленности	Условия обитания	Происхождение признака

2. Сделай вывод о проделанной работе

Вариант № 2

Цель: Научиться анализировать, сравнивать. Выявлять приспособления у организмов. Объяснить их относительный характер и причины возникновений приспособления.

Оборудование:

1. описание строения и жизнедеятельности крота,

2. коллекция насекомых,

3. описание строения и жизнедеятельности насекомых,

4. ручка, постой карандаш, линейка,

5. гербарии,

6. справочники,

7. кабинетные растения.

Ход работы:

1. Выявите и запишите приспособления к жизни в почве у крота:

а) в форме тела;

б) особенности внешнего строении;

в) в образе жизни.

2. Объясните, в чём состоит относительный характер этих приспособлений (на одном примере).

3. Рассмотри насекомых. Определите тип окраски насекомых.

4. Составьте и заполните таблицу, включающую колонки: название насекомого, среда обитания, тип окраски, биологическое значение окраски.

5. Сделайте вывод о проделанной работе.

В результате проведения лабораторной работы студент должен научиться на основе знаний движущих сил эволюции объяснить причины многообразия видов живых организмов и их приспособленность к условиям окружающей, среды, раскрыть относительный характер целесообразности; объяснить, что изменение генетики популяции есть предпосылка эволюционного процесса.

Практическое занятие №12.

Тема: «Анализ различных гипотез возникновения человека».

Цель: ознакомиться с различными гипотезами возникновения человека.

Оборудование: теоретический материал по теме.

Краткие теоретические сведения.

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 и развития человека - занимается наука антропология, которая выделяет такое понятие, как антропогенез.

Антропогенезом называют процесс выделения человека из мира животных. До недавнего времени существовала лишь одна теория появления человека - дарвиновская, но, как люди, живущие в реальном времени, нельзя не указать на появившиеся в последнее время альтернативные теории. Следует отметить, что существует целый ряд различных теорий, но основные из них следующие.

Теории происхождения человека на Земле.

1) Эволюционная теория.

Эволюционная теория предполагает, что человек произошел от высших приматов - человекообразных обезьян путем постепенного видоизменения под влиянием внешних факторов и естественного отбора.
Человек  происходит  от  животных  предков – обезьяны.  Сторонником  этой  гипотезы  был  английский  естествоиспытатель  Чарльз  Дарвин.  В  своем  труде  «Происхождение  человека», он  на  основе  фактов  доказал,  что  человек  находится  в  родстве  с обезьянами.  Что  человек  и  человекообразные  обезьяны  происходят  от  общих  предков, живших  в  далекие  времена.  Эта  гипотеза  подтверждается  многочисленными  находками  костных  остатков  древних  человекообразных  обезьян,  первобытных  людей.

Эволюционная теория антропогенеза имеет обширный набор разнообразных доказательств - палеонтологических, археологических, биологических, генетических, бихевиорных, культурных, психологических и других. Однако многие из этих доказательств могут трактоваться неоднозначно, что позволяет противникам эволюционной теории оспаривать ее.

2) Теория творения (креационизм)

Данная теория утверждает, что человек сотворен Богом, богами или божественной силой из ничего или из какого-либо небиологического материала. Наиболее известна библейская версия, согласно которой первые люди - Адам и Ева - были сотворены из глины. Эта версия 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. Современная теология привлекает для доказательства теории творения новейшие научные данные, которые, однако, в большинстве своем не противоречат и эволюционной теории. Некоторые течения современной теологии сближают креационизм с эволюционной теории, 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.

3) Теория внешнего вмешательства

Согласно этой теории появление людей на Земле, так или иначе, связано с деятельностью иных цивилизаций. В простейшем варианте ТВВ считает людей прямыми потомками инопланетян, высадившихся на Землю в доисторическое время.
Более сложные варианты ТВВ предполагают:
а) скрещивание иномирян с предками людей;
б) порождение человека разумного методами генной инженерии;
в) создание первых людей гомункулярным способом;
г) управление эволюционным развитием земной жизни силами внеземного сверхразума;
д) эволюционное развитие земной жизни и разума по программе, изначально заложенной внеземным сверхразумом.
Существуют и иные в разной мере фантастические гипотезы антропогенеза, связанные с теорией внешнего вмешательства.

Наиболее подробна космическая концепция была изложена Э. Фон Дэникеном в книге «Воспоминания о будущем». По его мнению, несколько млн. лет назад посланцы внеземной цивилизации посетили нашу планету и, руководясь своими целями, внесли изменения в генетический аппарат гоминид, вызвав, таким образом, появление человека.

Позже они еще несколько раз посещали нашу планету, чтобы проконтролировать и помочь своим питомцам.

Для доказательства этой точки зрения в книге приводится множество свидетельств палеоконтактов.

4) Теория пространственных аномалий.

Последователи данной теории трактуют антропогенез, как элемент развития устойчивой пространственной аномалии - гуманоидной триады "Материя-Энергия-Аура", характерный для многих планет Земной Вселенной и ее аналогов в параллельных пространствах. ТПА 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 приводит к возникновению гуманоидного разума земного типа.
В целом трактовка антропогенеза в ТПА не имеет значительных расхождений с эволюционной теорией. Однако ТПА признает существование определенной программы развития жизни и разума, которая наряду со случайными факторами управляет эволюцией.
Вывод. Сегодня существует 4 теорий происхождения человека. Каждая из них имеет свои аргументы «за» и «против». Однако нет ни одной, которая была единственно верной. Этот вопрос остается самым дискуссионным в современной науке.

Содержание отчета.

Выполните задания.

1. Ответьте на вопрос: Что такое антропогенез?

2. Используя теоретический материал, заполните таблицу.

Название теории	Сущность теории	Доказательства (есть или нет)
1.
2.
3.
4.

3. Ответьте на вопрос: Какие взгляды на происхождение человека вам ближе всего? Почему?

4. Сделайте вывод.

Практическое занятие №13.

Тема: Описание антропогенных изменений в природных экосистемах

своей местности.

Цель занятия: познакомиться с воздействием производственной деятельности в области своей будущей профессии на окружающую среду, овладеть умением составлять описание антропогенных изменений в природных экосистемах.

Оснащение рабочего места: схемы биосферы, природной экосистемы (дубрава, пресноводный водоем), электронное учебное пособие, методические указания.

Охрана труда: соблюдать технику безопасности при работе в учебной лаборатории.

Литература: Общая биология / Е.И.Тупикин М.: Академия. 2015.

Содержание и последовательность выполнения работы:

Задание 1. С использованием информационного материала в рабочей тетради составьте краткую характеристику экологических проблем, возникших в результате воздействия антропогенных факторов:

№	Экологические проблемы, возникшие в результате воздействия антропогенных факторов	Механизм (сущность) отрицательного воздействия антропогенного фактора на Природу	Основные направления природоохранной деятельности
1

Информационный материал

Воздействие человека на биосферу в настоящее время привело к возникновению экологических проблем, имеющих об­щепланетное значение:

Проблема озонового экрана

Озоновый экран располагается между тропосферой и страто­сферой и защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиоле­тового излучения, губительного для всего живого. Над Северным и Южным полю­сами Земли обнаружены «озоновые дыры» — области в озоновом экране, обладающие пониженным содержанием озона. Через «озоновые дыры» ультрафиолет проходит, практически не ослабляясь. В России «озоновые дыры» за­фиксированы над Якутией, Республикой Коми, в районе Дальне­го Востока. «Озоновые дыры» являются результатом действия антропогенных факторов и связа­ны с выбросом в атмосферу веществ, разрушающих озон: воды (в парах), оксидов азота, атомарного хлора, который образуется яри фотохимическом разложении фреонов, ис­пользуемых как хладореагенты и вещества для получения аэрозо­лей. Определенная роль в разрушении озонового экрана принадле­жит и воздействию сверхзвуковых самолетов и запуску искусст­венных спутников Земли.

Проблема кислотных дождей

Дожди, вода которых имеет кислотную среду (рН ются кислотными. Кислотные дожди возникают за счет растворения в дождевой воде поступающих в атмосферу кислотных оксидов, хлора, хлороводорода. При сжигании топлива, содер­жащего сложные смеси органических веществ, выделяется оксид cepы (IV) — сернистый газ, который при растворении в воде обра­зует сернистую кислоту, которая превращается в одну из самых сильных и опасных кислот — сер­ную кислоту. Оксиды азота в присут­ствии кислорода воздуха реагируют с водой, образуя сильную азотную кис­лоту. Попадающий в атмос­феру хлороводород, растворяясь в воде, образует сильную соля­ную кислоту. Наибольший вред наносят кислотные дожди наземным расте­ниям и организмам озер, прудов, рек (угнетение жизнедеятельности и заболевания рыб). Попадая на кислые почвы, кислотные дожди увеличивают их кислотность и способ­ствуют гибели живущих в почве растений и животных

Проблема диоксиновой опасности

Связана с попаданием в природную ок­ружающую среду самых ядовитых веществ, когда-либо синтезиро­ванных человеком — соединений типа диоксинов. Это большая группа химических соединений, представляющих собой трициклические кислородсодержащие вещества. Они очень устойчивы и почти не раз­лагаются в природной среде и период их полураспада составляет 10 - 12 лет (в организме человека 6 - 8 лет). Попав в окружаю­щую среду, диоксины включаются в пищевые цепи (сети) и на­капливаются в них. Под влия­нием диоксинов возможно рождение детей-уродов, появляются психические нарушения, возникают раковые опухоли, происхо­дит расстройство иммунной системы, т.е. диоксины являются «хи­мическим» СПИДом. Диоксины являются отходами металлургической, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, производства некоторых гербицидов. Диоксины присутству­ют в любой бумаге, в табачном дыме, образуются при сжигании мусора.

Проблема пестицидов (ядохимикатов)

Пестициды (ядохимикаты) — вещества, которые применяются для уничтожения тех или иных организмов, эффективные средства борьбы с вре­дителями сельского хозяйства (гербициды — средства борьбы с сорными растениями, инсектициды — средства для борьбы с насекомыми, протравители семян — вещества для предпосевной обработки семян с целью борьбы с бактериальными и грибковыми заболева­ниями, дефолианты — вещества, удаляющие листья растений. Однако, несмотря на высокий экономический эффект, обнаружено, что пестициды плохо «усваиваются» окружающей сре­дой (т.е. практически не разлагаются в течение длительного време­ни и сохраняют свои ядовитые свойства). Пестициды попадают в пищевые цепи и накапливаются в организмах животных и расте­ний, а затем негативно воздействуют на организмы, в которые они попадают с пищей.

Проблема изменения климата

В результате бытовой и производственной деятельности челове­ка атмосфера подвергается тепловому загрязнению. Потеплению климата на Земле, которое приведет к растоплению ледников и повышению уровня Мирового океана, способствует парниковый эффект, сущность которого состоит в том, что атмосфера поглощает теп­ловые лучи, а отдача тепла в мировое пространство затруднена. Наибольший вклад в этот эффект вносят углекислый газ, метан, оксиды азота, серы, фреоны, концен­трация которых постоянно увеличивается за счет производственной деятельности человека.

Задание 2. С использованием информационного материала в рабочей тетради приведите примеры газообразных, жидких и твердых загрязнителей природной среды, образующихся при эксплуатации транспортных средств.

Информационный материал

Особенности загрязняющего воздействия транспортных средств на биосферу

Негативное влияние транспорта на окружающую среду состоит в том, что для его функционирования необходимо топливо, кото­рое само по себе токсично. Так, содержание бензинов в воздухе в количестве 5 - 10 мг/л вызывает острое отравление, а концентрации более 50 мг/л могут привести к летальному исходу. Очень вредным для здоровья является добавка в топливо тетраэтилсвинца

Для эксплуатации двигателей применяют огнеопасные и токсич­ные смазочные масла и гидравлические жидкости, содер­жащие вредные компоненты (соединения серы, хлора, цинка, свинца). Опасен и этиленгликоль, используемый в качестве антифриза (смеси этиленгликоля и воды замерзают при низких температурах); он поражает нервную систему, почки; смертельная доза — 50 г.

специальные органические жидкости, которые.

Транспорт — основной загрязнитель атмосферы. При работе карбюраторных двигателей погло­щается кислород и выделяются загрязняющие среду выхлопные газы. При эксплуатации транспортных средств выделяются газообразные (оксиды серы, азота, угарный газ, различные углеводороды, продукты неполного сгорания и разложения топлива переменного состава), парообразные (тетра­этилсвинец и другие вещества), жидкие (сточные воды перемен­ного состава) и твердые (золы) загрязняющие вещества.

Уход за транспортными средствами требует большого расхода воды и сопровождается образованием сточных вод. Сточные воды содержат суспензии твердых веществ, эмульсии масел, а также растворы солей и моющих средств. Попа­дание таких вод в природные водоемы или в почву приводит к загрязнению последних.

Работа всех видов транспорта сопровождается шу­мом, вибрацией, излучением электромагнитных колебаний, теп­ловым загрязнением среды обитания. При движении машин по грун­товым дорогам нарушается поверхностный слой почвы, возникает запыление и т.д.

Контрольные вопросы:

1. В рабочей тетради приведите перечень необходимых, по Вашему мнению,
   природоохранных мероприятий.

Практическое занятие №14.

Тема: «Составление схем передачи веществ и энергии по цепям питания».

Цель: закрепить умения правильно определять последовательность организмов в пищевой цепи, составлять трофическую сеть, строить пирамиду биомасс.

Краткие теоретические сведения.

Цепи питания и трофические цепи

Хотя общая схема круговорота веществ сравнительно проста, однако в естественных условиях этот процесс принимает очень сложные формы. Ни один вид гетеротрофных организмов не способен сразу расщеплять все потребляемое органическое вещество растений до конечных продуктов. Каждый вид использует лишь часть содержащейся в органическом веществе энергии, доводя его распад до определенной стадии. Непригодные для данного вида, но еще богатые энергией органические остатки используются другими организмами.

Таким образом, круговорот веществ в биогеоценозах осуществляется по сложившимся в процессе эволюции пищевым, или трофическим (греч. trophe — пища) цепям, которые состоят из взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих материалы и энергию из исходного пищевого субстрата. Каждое звено трофической цепи составлено организмами с одинаковым типом питания, которые образуют определенный трофический уровень.

Первый трофический уровень занимают продуценты, создающие органическое вещество из простых неорганических соединений. К ним относятся зеленые растения и цианобактерии, использующие для синтеза органического вещества солнечную энергию. Небольшой вклад в эту продукцию вносят также хемосинтезирующие бактерии. На втором трофическом уровне находятся растительноядные животные — консументы первого порядка. На суше к ним относятся многие насекомые, земноводные рептилии, птицы и млекопитающие. Третий уровень составляют плотоядные животные — консументы второго порядка (хищники, некрофаги (трупоеды) и паразиты). Во многих пищевых цепях имеются четвертое и пятое звенья (трофические уровни), представленные средними и крупными хищниками, которые могут использовать в пищу животных соответственно третьего и четвертого уровней. Например: растения—грызуны—лисица—орел; нектар цветков—пчела— пчелиный волк (хищная оса)—землеройка—сова. Особое положение в пищевой цепи занимает уровень редуцентов (лат. reducens — возвращающий), или деструкторов (лат. destructivus — разрушительный), питающихся органическим веществом использованной или отмершей биомассы и подвергающих его минерализации, т. е. разложению на составные неорганические соединения (СO₂, NH₃ и др.), пригодные для нового использования продуцентами. Основными редуцентами являются бактерии и грибы. Они ассимилируют вещество и энергию со всех трофических уровней.

Существуют два основных типа пищевых цепей: пастбищные и детритные.

В пастбищной трофической цепи (цепь выедания) основу составляют автотрофные организмы, значительная часть продукции которых потребляется консументами различных порядков, образующих последовательные звенья пищевой цепи.

В детритных трофических цепях, наиболее распространенных в лесах и некоторых водных экосистемах, большая часть растений не поедается растительноядными животными, а отмирает (упавшие деревья, листовой опад и т. п.) и разлагается сапрофагами (греч. sapros -гнилой), к которым относятся бактерии, грибы, некоторые насекомые и др. В результате образуется детрит (лат. detritus — истертый) -субстрат, состоящий из мелких органических частиц и бактерий. Детрит частично минерализуется микроорганизмами, а частично поглощается детритофагами (группа сапрофагов). В водных системах к ним относятся черви, личинки насекомых, ракообразные, некоторые рыбы, а в наземных — дождевые черви, насекомые и их личинки. Детритофагами питаются мелкие хищники, которые, в свою очередь, потребляются более крупными хищными животными. Таким образом образуется трофическая цепь.

Основное отличие детритных трофических цепей от пастбищных заключается в том, что в детритных цепях большая часть созданного продуцентами органического вещества поступает в систему редуцентов, а не консументов, как это происходит в пастбищных пищевых цепях. В результате этого круговорот веществ в детритных трофических цепях оказывается более полным, что способствует их стабилизации.

Наряду с пастбищными и детритными цепями существуют цепи, не включающие автотрофных растений, например в биоценозах больших глубин океана и пещер. Однако во всех биоценозах подобного типа обязателен приток энергии извне в форме органических веществ.

Организмы каждого трофического уровня (кроме некоторых узкоспециализированных) питаются многими или хотя бы несколькими видами организмов нижележащего уровня и, в свою очередь, служат источником пищи для многих видов животных последующих уровней. Например, землеройки питаются многими беспозвоночными (червями, членистоногими и другими животными), а сами служат добычей мелким и средним хищникам (рептилиям, млекопитающим и птицам). Кроме того, многие животные используют пищевые ресурсы разных трофических уровней. Например, смешанной пищей питаются воробьи, синицы, медведи, обезьяны и др. Многие зерноядные птицы выкармливают птенцов насекомыми. В результате пищевые цепи образуют сложную пищевую сеть (или паутину) биогеоценоза.

Пирамида биомасс, энергии, чисел

Трофическую структуру обычно изображают в виде экологических пирамид. Эту графическую модель разработал в 1927 г. американский зоолог Чарльз Элтон. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями - консументами различных порядков. Высота всех блоков одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Различают три способа построения экологических пирамид.

1. Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. Иногда пирамиды чисел могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами - насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых).

2. Пирамида биомасс - соотношение масс организмов разных трофических уровней. Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике обычно получается ступенчатая пирамида с суживающейся верхушкой. Так, для образования 1 кг говядины необходимо 70-90 кг свежей травы.

В водных экосистемах можно также получить обращенную, или перевернутую, пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается меньшей, нежели консументов, а иногда и редуцентов. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая масса в данный момент его может быть меньше, нежели у потребителей-консументов (киты, крупные рыбы, моллюски).

Пирамиды чисел и биомасс отражают статику системы, т. е. характеризуют количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем. Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничий период без последствий для нормального их воспроизведения.

3. Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость про хождения массы пищи через пищевую цепь. На структуру биоценоза в большей степени оказывает влияние не количество фиксированной энергии, а скорость продуцирования пищи.

Установлено, что максимальная величина энергии, передающейся на следующий трофический уровень, может в некоторых случаях составлять 30 % от предыдущего, и это в лучшем случае. Во многих биоценозах, пищевых цепях величина передаваемой энергии может составлять всего лишь 1 %.

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10 % поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90 % всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.

Если заяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная масса может увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины, увеличивают свою массу уже только на 100 г. У древесных растений эта доля много ниже из-за того, что древесина плохо усваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительно больше, поскольку у них отсутствуют трудноусвояемые ткани. Однако общая закономерность процесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходит значительно меньше, чем через нижние.

Вот почему цепи питания обычно не могут иметь более 3—5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей. К конечному звену пищевой цепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Этому утверждению можно найти объяснение, проследив, куда тратится энергия потребленной пищи: часть ее идет на построение новых клеток, т.е. на прирост, часть энергии пищи расходуется на обеспечение энергетического обмена или на дыхание. Поскольку усвояемость пищи не может быть полной, т.е. 100 %, то часть неусвоенной пищи в виде экскрементов удаляется из организма.

Учитывая, что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы, становится ясным, почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего.

Именно поэтому большие хищные животные всегда редки. Поэтому также нет хищников, которые питались бы волками. В таком случае они просто не прокормились бы, поскольку волки немногочисленны.

Трофическая структура экосистемы выражается в сложных пищевых связях между составляющими ее видами. Экологические пирамиды чисел, биомассы и энергии, изображенные в виде графических моделей, выражают количественные соотношения разных по способу питания организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Содержание отчета.

Задания. 1. Назовите организмы, которые должны быть на пропущенном месте следующих  пищевых   цепей. Запишите эти цепи.

Пример пищевой сети

2. Из предложенного списка живых организмов составить трофическую сеть: трава, ягодный кустарник, муха, синица, лягушка, уж, заяц, волк, бактерии гниения, комар, кузнечик. Укажите количество энергии, которое переходит с одного уровня на другой.

3. В чем сущность правила экологической пирамиды? (напишите)

4. Зная правило перехода энергии с одного трофического уровня на другой (около 10 %), постройте пирамиду биомассы следующей пищевой цепи: растения → кузнечики → лягушки → ужи → ястреб-змееяд, предполагая, что животные каждого трофического уровня питаются только организмами предыдущего уровня. Биомасса растений на исследуемой территории составляет 40 т.

5. Сделайте вывод.

Практическое занятие №15.

Тема: Решение экологических задач

Цель работы: формирование умения применять знания по экологии для решения экологических ситуаций

Пример

Ситуация 1

Проблема:

Комиссия городского планирования подготовила проект строительства автомагистрали, которая пройдет через центр города и пригород с плодородными угодьями и лесопарками.

Последствия:

1. Жилищные условия станут критическими (перемена места жительства людей в связи с тем, что магистраль пройдет через жилые дома, многие люди не в состоянии приобрести новое жилье, сменить место работы, школы ).

2. Магистраль разрушит ландшафт, будут снесены некоторые памятники природы и культуры.

3. Уничтожится значительная часть плодородных полей, потеряются пастбища, сократится численность скота.

4. Шум от автомагистрали, загрязнение воздуха, повышенная опасность для пешеходов очень усложнят жизнь людям.

Предлагаемое решение:

Построить дорогу в обход города, что сохранит качество окружающей среды и значительно снизит вред от автомагистрали.

Ситуация 2

Проблема:

Загрязнение малых рек поверхностными водами с частных огородов. Многие участки расположены чуть ли не вплотную к урезу воды. Перенос огородов на другое место просто невозможен.

Последствия:

1. В реку смываются удобрения и химические средства защиты растений, что значительно усиливает эвтрофикацию водоема и приводит к гибели планктона.

2. Для почвы огородов это тоже не выгодно, т. к. способствует развитию водной эрозии, снижает плодородие почвы.

Ситуация 3

Проблема:

Вблизи микрорайона с жилыми домами спланирована автостоянка, которая будет вплотную граничить с подъездами к домам, с тротуарами и детскими площадками для игр и прогулок.

Последствия:

1. Автомашины загрязняют воздух угарным газом, оксидами серы и азота, альдегидами, углеводородами, аэрозолями свинца, соединениями мышьяка.

2. Повышается транспортная нагрузка на дороги – подъезды к жилым домам, что повышает во много раз угрозу травматизма жителей.

3. Дети на прогулках получат не оздоровление организма, а наоборот снижение устойчивости иммунной системы и возможность развития других серьезных заболеваний.

4. Усиливается шумовое загрязнение, особенно в утренние и вечерние часы.

Ситуация 4

Проблема:

Свалка бытового мусора в районе жилых домов.
Отходы пищи привлекают ворон и голубей, грызунов и других разносчиков инфекции, бродячих собак и кошек.

Последствия:

1. Гниющие отходы – среда развития многих болезнетворных бактерий и других микроорганизмов.

2. Проволока, обрезки досок, труб, остатков мебели могут стать причиной травм.

3. На свалке могут образоваться новые ядовитые вещества и концерагены.

4. Свалки – причина загрязнения почвы, воздуха, водоемов.

Ситуация 5

Проблема:

В период активных весенних работ по благоустройству территории населенных пунктов и прилегающих к ним территорий населенных пунктов и прилегающих к ним территорий наблюдается массовое сжигание мусора как способа утилизации.

Последствия:

1. Кроме натуральных веществ – дерева, бумаги, хлопчатобумажных тканей, сухостоя травянистых растений и т.д., люди выбрасывают и синтетические вещества – различные пластмассы, а при их сгорании выделяются ядовитые вещества.

2. Сжигание мусора повышает пожарную опасность территорий, где проводится утилизация таким способом.

3. Этот способ утилизации активно снижает количество кислорода в воздухе, способствует накоплению углекислого газа, концерагенных газов, сажи и копоти.

Ситуация 6

Проблема:

Вблизи села местность из-за застаивающихся талых вод активно зарастает камышом и рогозом, который из года в год занимает все большую территорию. Автомобильная трасса у данного села проходит очень близко к этим зарослям. Они располагаются буквально по обе стороны от дороги.

Последствия:

1. В стоячей воде развиваются личинки комаров, которые являются переносчиками малярии.

2. Камыш в жаркие дни может загореться, это приведет к угрозе пожара в близлежащих домах.

3. Камыш, растущий вдоль автодорог, насыщен ядовитыми веществами. При его сжигании все эти вещества попадают в воздух.

4. После созревания семян разлетается пух от камыша, это может усилить предрасположенность населения к аллергическим заболеваниям.

Ситуация 7

Проблема:

Иду по цветущему лугу. Нарвать или нет букет цветов?

Последствия:

1. Цветы привлекают человека своей красотой, но в природе они предназначены для другого: размножения растений, пищи травоядным животным, укрытия насекомым.

2. Сорвать несколько цветков редкого растения – значит подвергнуть опасности существование всей популяции.

3. Бессмысленное прерывание жизни растения и его потомков безнравственно и для экосистемы луга в целом может иметь крайне отрицательные последствия.

4. Среди сорванных цветов могут быть лекарственные растения, растения – индикаторы, которые можно использовать по назначению.

5. Варварское отношение к охраняемым видам влечет юридическую ответственность.

Ситуация 8

Проблема:

Борьба с насекомыми-вредителями садовых и огородных культур с помощью химических средств защиты растений на приусадебных участках и в садово-огороднических обществах.

Последствия:

1. Ядохимикаты, убивающие насекомых-вредителей, могут быть очень опасными и для человека.

2. Недопустимо попадание ядохимикатов на кожу, глаза, вдыхать запахи от ХСЗР, т. к. такой контакт может вызвать серьезные заболевания у человека.

3. Попадание ядовитых веществ на землю также не обходится без последствий, т.к. способствует уничтожению редуцентов из почвы, поглощается вторично овощными и плодово-ягодными растениями, накапливаются в них и делают овощи и фрукты вредными для здоровья человека.

4. Ядовитые вещества становятся участниками круговоротов веществ (воды, азота, кислорода и др.), нарушая их естественные циклы.

5. Применение одних и тех же ядохимикатов длительное время влечет за собой снижение эффективности их действия на насекомых – вредителей

Ситуация 9

Проблема:

В городском парке вырубили старые деревья. Распиленные на части стволы так и остались лежать на земле: вывезти их с территории парка очень дорого. Предложите решение проблемы.

Последствия:

1. Старые деревья – место жительства многих болезнетворных организмов, которые могут заразить молодые деревья.

2. Распиленные бревна придают парку не респектабельный вид, попросту захламляя, значительную часть парка.

3. Для детей и взрослых на прогулках они создают дополнительные неудобства, т.к. способствуют нечаянному травматизму.

Ситуация 10

Проблема:

Для ускорения таяния льда и снега тротуары и дороги часто посыпают поваренной солью. Как по-другому можно решить данную проблему?

Последствия:

1. Весной соль попадает в почву, что отрицательно влияет на состояние растений.

2. Кроме того, это усиливает коррозию деталей автомобилей.

3. Соль, высыхая на тротуарах и проезжей части, измельчается колесами и смешивается с пылью, усиливая ее аллергенную опасность.

Ситуация 11

Проблема:

При добыче щебеня, глины используется открытый способ. Какой вред, наносимый экосистеме подобным способом добычи полезных ископаемых. Можно ли способствовать восстановлению экосистемы.

Последствия:

1. Добыча полезных ископаемых открытым способом разрушает плодородный поверхностный слой почвы.

2. Возникают глубокие карьеры.

3. Вытесняется растительность естественного сообщества (луга, степи, леса), распространяются рудеральные растения.

4. Смещаются популяции животных естественных экосистем, до этого живших здесь, причем не всегда в благоприятные условия.

5. Сделайте выводы.

Литература

1. А.М.Карьков, Методические указания для проведения практических занятий по биологии в СПО.

2. Князьков А.С, Маркин И.В., Москвина Н.Н. ГП «Научно-производственный центр Комплексного мониторинга и кадастра природных ресурсов».

3. Сайт Коноваловой Л.В.

4. http://animals.ecougra.ru/plant/76/

5. http://festival.1september.ru/articles/617401/

6. http://www.licey.net/bio/genetics