Современная трактовка клеточной теории
Как бы лекции.
Простейшие, Членистоногие, Ядовитые животные (Ярыгин)
Как бы лекции:
Уровни организации живого
Сущность жизни
План.
1. Биология-система наук о живой природе.
2. Место и задачи биологии в подготовке врача.
3. Современные представления о субстрате жизни. Сущность жизни.
4. Фундаментальные свойства живого.
Биология – отрасль знания о живом, комплекс наук о закономерностях возникновения и существования живого. Термин «Биология» ввёл Ламарк в 1802г. Это естественная наука, ибо она изучает живую материю. Делится:
I. Вирусология.
II. Микробиология.
III.Микология.
IV.Ботаника и т.д.
Они также делятся (морфология, физиология, экология и др.)
Биология имеет свои методы исследований:
I. Описательный.
II. Сравнительный.
III.Исторический.
IV.Экспериментальный (моделирование).
Современная биология отличается от прежней:
A. Выделились новые дисциплины (биофизика, биохимия, космобиология).
B. Эволюция от описательной к точной науке
C. Переход к изучению микропроцессоров (молекулярная биология).
«Медицина в плане теории прежде всего – общая биология»
/Патолог Давыдовский/
Биология – теоретическая основа медицины, врачебного мышления. Медицина – часть биологии. К человеку и его патологии применимы все закона живого мира. Ряд разделов биологии прямо связан с медициной (анатомия, физиология и др.)
Изучение биологии:
I. общие закономерности биологии человека.
II. генетика, развитие.
III. биологические аспекты экологии человека.
Эволюционно обусловленные уровни организации живого.
Человек в системе природы.
Принцип дискретности – разные уровни организации живого. У каждой живой системы свои уровни. На каждом уровне - свои элементарные единицы и явления.
I. Микросистемы:
1)молекулярно-генетический; единица - ген, явление - конвариантная редупликация;
2) Субклеточный;
3) Клеточный; клетка и ее метаболизм.
II. Мезосистемы:
1) тканевой уровень;
2) Органный;
3) Организменный; особь и цепь изменения организма в онтогенезе.
III. Макросистемы:
1) Популяционно-видовой уровень; популяция и взаимодействие элементарных эволюционных факторов;
2) Биогеоценозный; устойчивый, динамичный биогенез и вещественно-энергетический круговорот;
3) Биосферный;
Человек в системе природы
Для жизнедеятельности человека характерны закономерности животного мира. Человек – вид, сильно воздействующей на природу (нега-тивно). Следствие: нехватка пищи, воды, избыток отходов, выбросов.
Наука Антрология применяет законы природы для человеческого общества.
Сущность жизни.
Ни одно определение жизни не является исчерпывающим.
Философское: Жизнь – биологическая форма движения материи (еще есть неорганическая и социальная). Жизнь – качественно новая форма , основана на физической и химической формах движения. «Жизнь – существования белковых тел.» /Ф. Энгельс/.
Субстрат жизни – комплекс двух классов биополимеров: белков и нуклеиновых кислот. Жизнь связана с комплексом разных молекул.
Значение белков для жизни:
I Легко вступают в связь с др. в-вами.
II Легко растворяются в воде.
III Соединения с другими в-вами лабильны /подвижны/.
Борьба направлений:
Материализм и идеализм /первична материя или сознание/.
Витализм – учение о непознаваемой жизненой силе организма.
Метафизика – отсутствие, отрицание развития.
Биология убеждает в правоте материализма. Диалектический материализм – основа теории биологии.
Жизнь – биологическая система со специфической структурной организацией, самообновляющаяся, самовоспроизводящаяся и саморегулирующаяся.
Структурная организация – упорядоченность во времени и пространстве всех процессов в живой системе. Кибернетика – моделирование живого.
Живая система – открытая. Через неё – три потока: вещество, энергия, информация. Живая система их потребляет, хранит, обрабатывает, выделяет.
Фундаментальные св-ва живого:
1. Негэнтропия (отрицательная энтропия). Активная организация трех потоков, уменьшение хаоса. Повышение энтропии в себе и уменьшение в окружающей среде.
2. Метаболизм (обмен веществ).
3. Самовоспроизведение. Преемственность между генерациями живых систем. Процессы репродукции и размножения.
4. Саморегуляция процессов в системе. Сохранение организма.
5. Дискретность.
6. Целостность.
7. Гомеостаз. Сохранение целостности структуры и функции системы; постоянство внутренней среды.
8. Раздражимость.
9. Движение.
10. Рост.
11. Развитие.
12. Наследственность.
13. Изменчивость.
Жизнь – макромолекулярная система с несколькими уровнями, самовосстанавливающаяся, с обменом веществ и энергии. Эта система – распространяющееся ядро упорядоченности в менее упорядоченной вселенной. Все живое в составе биогеоценоза.
БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
План.
I Клеточная теория, её создание, современность.
II Клетка – элементарная генетическая и структурно-функциональная единица. Про- и эукариоты.
III Эволюция клетки. Открытая система.
Цитология: 1665г. /Р.Гук открыл клеточное строение растений/.
Ливенгук – открытие простейших, бактерий, эритроцитов и др.
Шлейдер – вывод о клеточном строении растений.
Шванн клеточная теория(1839г.):
I Клетки – основные элементы жизни.
II Организм – это одна или много клеток.
Недостаток теории: большое значение придавалось клеткам и их оболочкам.
Современная теория клеток
Научная основа изучения появления организмов, их развития. Морфологическое единство живого.
1849 – 50гг. – это эволюционная теория (на основе клеточной теории). Она показала, что развитие организмов происходит по единому плану. В основе изменчивости лежат изменения клеток.
Многие ученые развили теорию. Немецкий патолог Р.Вирхоф изучал изменения клеток в патологии (работа «Целлюлярная патология»). Показал что новые клетки появляются от размножения других клеток. Добавил /1885г./ 3-е положение клеточной теории:
III Все клетки образуются только в результате деления других клеток.
Недостаток: считали организм собранием независимых клеток.
Современное учение о живом построено на основе дискретности, но целостности живого. Клетки несамостоятельны, объединены руководящими системами (нервная, эндокринная).
СОВРЕМЕННАЯ ТРАКТОВКА КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ
I В генетическом, структурном и функциональном отношении жизнь состоит из клеток.
II Клетка – единица живого.
III Клетки возникают делением.
IV В клетках содержится биоинформация. Её воспроизведение – редупликация наследственного материала.
V Клетки хранят и используют энергию и вещество.
VI Регуляция обмена веществ.
VII Клетка – структурно-функцио-нальная единица организма.
Отношение «клетка—организм» есть отношение части к целому.
ПРОКАРИОТЫ И ЭУКАРИОТЫ
Различают клеточные и неклеточные формы. Неклеточные: вирусы, фаги.
Клеточная: прокариоты и эукариоты (простейший представитель – микоплазмы).
Эукариоты – растения, грибы, животные. Их клетка – живая элементарная система из двух частей (ядра и цитоплазмы).
У прокариот ДНК не прикрыта белком, нет настоящих органоидов (только митохондрии).
Наличие у ядер эукариот мембраны обуславливает протекания мембранного процесса:
Мембрана клеток состоит из двойного слоя липидов и мономолекулярного белкового слоя. Её изучает наука Мембранология.
С мембранами связан процесс деления клеток. В клетках различают протоплазму = цитоплазма + ядро (у каждой части свои структурные компоненты).
ЦИТОПЛАЗМА
(гиалоплазма, органоиды, включения)
Снаружи – цитоплазмическая мембрана, гликокалис (углеводы + белки, жиры).
У растений – целлюлозная оболочка (частично из пектина).
Органоиды – постоянные дифференцированные участки цитоплазмы с тремя признаками:
I Относител. постоянство строения.
II Относител. постоянство состава.
III Выполнение активных функций.
Различают:
Общие органоиды (у всех или большинства клеток), их всего 8.
Специальные (у отдельных клеток или групп их) - миофибриллы, нейрофибриллы, жгутики, реснички.
Включения – непостоянные скопления веществ в цитоплазме, без определенного строения с пассивными функциями:
1. Трофические; 2. Секреторные; 3. Специальные (пигменты, гемоглобин).
Компоненты ядра:
1. Кариолимфа. 2. Оболочка. 3. Ядрышки. 4. Хромосомы.
ЭВОЛЮЦИЯ КЛЕТКИ
Две гипотезы эволюции клетки:
- симбиотическая;
- инвагинационная.
По первой гипотезе предок клетки – анаэробная прокариота. В процессе эволюции у нее появились митохондрии, пластиды, жгутики, ядро.
По второй гипотезе ядро и органеллы появились путем впячивания мембраны в цитоплазму вместе с прикрепленным геномом.
У этих гипотез много слабых мест.
Клетка – открытая система.
В клетке протекают:
- Обмен веществ – пластический (анаболизм)
- Обмен энергией – катаболизм
- Информационный обмен.
Энергия (источник – АТФ) идет на поддержание жизни и работу клетки. Потоки веществ, энергия и информации могут быть пассивными (за счет Е кин частиц) и активными (за счет избират. проницаемости мембран).
ƒ Временнáя организация клетки
План.
1.Строение хромосом.
2. Клеточный и митотическ. циклы.
3. Механизм регуляции активности клеток.
Жизненный цикл – от появления клетки до деления или гибели.
Периоды жизненного цикла: митоз и интерфаза.
Хромосомы обладают структурой и индивидуальностью. Главный элемент – нуклеосомы из восьми молекул белка (гистонов) и ДНК. Снаружи гистоны покрыты 140 нуклеотидами (упаковка). 10–15% ДНК – молекулы не связаны с нуклеосомами. Плотные упаковки в хромосоме – хромомеры.
ПРАВИЛА ХРОМОСОМНОГО НАБОРА
I Постоянное число хромосом. Кариотип (реальное существование вида).
II Парность. Пары гомологичных хромосом.
III Индивидуальность (уникальность гомологичных хромосом в гаплоидном наборе).
IV Непрерывность. Самовоспроизведение хромосом (митоз, мейоз).
Периодизация клеточного цикла:
G1 – синтез веществ, рост клетки, ДНК не удваивается (30–40 % времени).
S – редупликация ДНК, синтез основных белков (30 – 50% времени).
G2 – синтез РНК, АТФ, белков для аппарата митоза (10–20% времени).
Наборы хромосом:
1. в интерфазе пресинтетического периода – 2n2с
2. в синтетическом периоде – 2n4с
3. в последующих периодах до анафазы – 2n4с
4. в анафазе у полюсов – по 2n2с
Продолжительность цикла клетки и его периодов зависит от типа, возраста клеток, внешнего воздействия, количества ДНК, Т, времени суток и др. Наиболее изменчивы по времени – G1 и G2.
G0 – период покоя у некоторых клеток . С его учётом цикл растягивается до месяцев (но обычно 10–50 часов). У нейронов цикл той же продолжительности что и жизнь организма.
Митоз – универсальный механизм воспроизведения клеточной организации у эукариот.
Различают типы тканей:
I Стабильные (нервная). Митозов нет.
II Растущие (поперечно-полосатые мускулатура). Часть клеток делится, но меньшая.
III Обновляющиеся (покровный эпителий). В основном – стадия митоза.
В течении клеточного цикла хромосомы участвуют в процессах:
I Самоудвоения;
II Спирализация;
III Деспирализация.
Митоз – основной способ деления клеток (точное воспроизведение ген. инф.- половые клетки). У прокариот митоза нет. Их ДНК удваивается и располагается у оболочки. Затем цитоплазма делится.
Существуют различные способы регуляции клеточной активности:
У многоклеточных организмов – нервной системой, гормонами, кейлонами (подав.).
Нарушение этих факторов – нарушение митоза (опухоли и др.).
У растений регуляторы – фитогармоны.
Нарушения митоза:
I Повреждения хромосом (набухание, склеивание, фрагментация).
II Повреждения центромеры (отставание, расхождения хромосом)
III Повреждения митотического аппарата (веретена деления)
IV Нарушения цитокинеза (разделение клеток).
Причина – яды, вирусы, излучение.
Клеточная пролиферация – увеличение числа клеток.
Со временем количество митозов в ткани меняется, изменяется их ритм (суточный, сезонный, годовой, многолетний). Кортизон подавляет клеточную активность, эстрагон – стимулирует.
Амитоз – прямое деление (без спирализации и др.) Происходит у специализированных клеток, обреченных на гибель. После амитоза обычно митоз уже не происходит.
Пример: клетки скелета, мускулатуры, печени, миокарда, лейкоциты.
Эндотелиоз – удвоение ДНК без деления (прерванный митоз); полиплоиды.
Политения – удвоение ДНК участками (хромонемами), фрагментация ДНК. Расхождения нет – гигантская (политенная) хромосома. По политенным хромосомам составляют карты хромосом.
„ Размножение организмов
План.
I Бесполое и половое.
II Половой процесс – механизм обмена наследственной информацией.
III Мейоз.
IV Оплодотворение. Половой диморфизм. Партеногинез. Полиэмбриония.
V Биологические аспекты репродукции человека.
Бесполое размножение:
У одноклеточных:
I Деление на две особи (митоз)
II Множественное деление (шизогония)
III Почкование
IV Спорообразование (спорогония)
У многоклеточных
I Спорообразование
II Почкование
III Вегетативное размножение
IV Полиэмбриония.
Половое размножение:
У одноклеточных
I Коньюгация
II Коопуляция
У многоклеточных
I Оплодотворение
II Партеногинез.
В эволюции бесполое размножение усиливает стабилизацию вида в неменяющихся условиях. Половое – более прогрессивное: два родителя создают потомкам больший запас изменчивости.
В эволюции строение гамет изменилось:
I Изогамия (равные гаметы).
II Анизогамия (женские – больше, неподвижны; мужские – меньше, подвижны).
III Овогамия (яйцеклетка и сперматозоиды).
Овогамия
Яйцеклетка – гаплоидная, с желтком и белковой оболочкой. Ядерно-цитоплазматические отношение (ЯЦО) менее 1.
Сперматозоиды – мелкие, подвижные, из головки,шейки и хвоста. ЯЦО более 1. Впереди – акросома(видоизмененный комплекс Гольджи), она растворяет оболочку яйцеклетки.
Гаметогенез:
I Овогенез;
II Сперматогинез.
… Биология развития
План.
1. Измененные циклы развития – как отражение эволюции. Онтогенез.
2. эмбриональное развитие.
3. зародышевые листки. Теория.
Биология развития – изучение с разных позиций на разных уровнях ( от клетки до организма).
Жизненные циклы:
I У одноклеточных – клеточный цикл
II У многоклеточных – сложнее.
Онтогенез – индивидуальное развитие. Филогенез – видовое развитие.
Онтогенез – цепь закономерных последовательных, качественных превращений на основе наследственности и внешней среды.
Филогенез – историческое развитие вида.
Характеристика онтогенеза
Это результат длительной эволюции. Эмбриолог Светлов выделил типы онтогенеза. Тип онтогенеза – совокупность явлений и признаков, обеспечивающих приспособление к условиям существования в индивидуальном развитии.
I. Прямое развитие:
- неличиночный
- внутриутробный
II. непрямое развитие:
- личиночный.
Провизорные органы (временные) – при неличиночном развитии. При внутриутробном развитии питание через плаценту – это наилучший способ развития.
Периодизация:
- эмбриональный;
- постэмбриональный.
У плацентарных:
- антенатальный;
- пренатальный;
- постнатальный.
Этапы эмбрионального развития:
1. зигота;
2. дробление(бластула);
3. гаструляция (гаструла);
4. образование тканей и органов (гистогенез и органогенез).
Предэмбриональный период (гаметогенез):
Типы клеток:
- изолецитальный
- телолецитальный
- резко телолецитальный
- центролецитальный
I Зигота. В ней – увеличение ДНК для синтеза иРНК и рРНК. (Первичная неоднородность цитоплазмы – от яйцеклетки).
II Дробление. Деление клеток в отсутствии роста. Полное и неполное дробление (зависит от количества желтка). Биологическое значение дробления – образование множества клеток для построения организма. Итог – бластула.
III Гаструляция. Перемещение зародышевого материала (зародыш – из двух слоев клеток – «листков». Эктодерма, энтодерма, мезодерма. У позвоночных мезодерма в ходе гистогенеза и органогенеза.
Способы:
a) инвагинация
b) иммиграция
c) деламинация
d) эпиболия.
Итог гаструляции – гаструла.
[Рисунок: гаструла; обозначения: гастроцель, сообщающийся посредством гастропора с внешней средой, спинка и брюшко]
Первичноротые – бластопор является окончательным ртом (примитивно).
Вторичноротые – окончательный рот на другом конце гаструлы. Бластопор – анальное отверстие.
4. Гистогенез, органогенез.Осевые органы появляются одновременно.
[Рисунок: образование нервной трубки, головных нерв. пузырей, хорды, целома; общий вид сбоку]
Нейроцель – полость нервной трубки. Нейрула – стадия нервной трубки у зародыша.
Хорда – из клеток с вакуолями. Кишка – вторичная, окончательная.
[Рисунок: появление сообщения между полостью вторичной кишки и внешней средой]
Происходит закладка мезодермы из эндодермы спинно-боковых частей.
Биология развития
План.
I Теория зародышевых листков.
II Провизорные органы.
III Борьба материализма и идеализма. Эпигенез и преморфизм.
IV Современные представления о механизмах ортогенеза.
У мезодермы наибольшее число производных. Склеротом (спина) – хрящи, кости, соединительная ткань (скелет вместо хорды). Миотом – скелетная мускулатура. Дерматом – соединительно-тканная кожа. Нефрогонотом – органы выделения и половые железы. Стенки целома – плевра, брюшина, брыжейка кишки. Спланхнотом – соединительная ткань внутренних органов, гладкая мускулатура, сосуды. Висперальный листок – сердце, кровь, лимфа и другие.
Теорию зародышевых листков создали И.И.Мечников, А.О.Ковале-вский. они описали зародышевые листки у беспозвоночных в 1871г.
Положения теории:
1. У всех многоклеточных есть зародышевые листки
2. У всех многоклеточных из этих листков образуются органы и ткани.
3. У многоклеточных один листок органов – комплекс.
4. Для многоклеточных характерны одни и те же этапы развития.
Провизорные (временные) органы – вокруг зародыша. Они бывают разные. У головастика – жабры и хвост. У наземных животных – зародышевые оболочки (желточный мешок) амнион, аллантоис, серозная оболочка, хорион, плацента).
Низшие – круглоротые, рыбы, амфибии (земноводные).
Высшии – пресмыкающиеся (репти-лии), птицы, млекопитающие (звери).
Ÿ Амнион – вырабатывает околоплодные воды (жидкость вокруг зародыша).
Ÿ Желточный мешок – стенка вокруг желтка (трофика зародыша, гемопоэз). У млекопитающих – рудиментарный орган.
Ÿ Аллантоис – мочевой мешок (сбор продуктов обмена, газообмен). У млекопитающих также рудимент.
Ÿ Серозная оболочка – под скорлупой (газообмен).
Ÿ Хорион – аналог серозной оболочки у млекопитающих, прилежит к оболочке матки. Ворсинки хориона срастаются с дном матки и образуют плаценту.
Ÿ Плацента – орган связи материнского и плодового организмов (D=20-40 см, d=5см). Состоит из двух частей: материнская (слизистая дна) и плодовая (ворсинчатый хорион). Является также барьером между плодом и матерью, предотвращает смешивание их крови. Через него проникают питательные вещества, О2, СО2, продукты метаболизма, проникают также этанол, наркотики, никотин, лекарства, вирусы, бактерии.
[Рисунок: ворсинки хориона омываются кровью матери, показаны направления движения кислорода, углекислоты, питательных веществ]
Провизорные органы – т.о., временные органы, обеспечивающие развитие плода и отбрасываемые после рождения.
Вопрос, как из одной клетки развивается взрослый организм, всегда волновал людей.
Гиппократ: «зародыш в готовом виде есть в материнском организме, происходит только рост».
Аристотель: «каждый организм заново развивается из бесструктурной массы»
В XVIII в. сформировались два основных взгляда на этот вопрос: Преморфизм и Эпигенез.
Преморфизм: в яичниках «семенни-ках» - маленькие человечки. Это учение смыкалось с идеализмом, религией и метафизикой.
Эпигенез – высшие силы управляют развитием из гомогенной цитоплазмы (предложено Вольфом, Россия). Был подробно описан процесс развития птицы из яйца под действием природных «высших» сил, в XVIII в.
В начале XIX века Бэр доказал несостоятельность обеих теорий, определил дифференциацию цитоплазмы в яйцеклетке, увеличивающуюся по мере развития.