Реферат
«Активність клітини і поняття генетика»
1. Авторегуляції хімічної активності клітини
Будь-клітці, як і будь-якої живої системи, притаманна здатність зберігати свій склад і всі свої властивості на відносно постійному рівні. Так, наприклад, вміст АТФ в клітинах становить близько 0,04%, і ця величина стійко утримується, незважаючи на те що АТФ постійно витрачається в клітці в процесі життєдіяльності. Інший приклад: реакція клітинного вмісту слаболужна, і ця реакція стійко утримується, незважаючи на те що в процесі обміну речовин постійно утворюються кислоти і основи. Стойко утримується на певному рівні не тільки хімічний склад клітини, а й інші її властивості. Високу стійкість живих систем не можна пояснити властивостями матеріалів, з яких вони побудовані, тому що білки, жири і вуглеводи володіють незначною стійкістю. Стійкість живих систем активна, вона обумовлена складними процесами координації та регулювання.
Розглянемо, наприклад, яким чином підтримується сталість вмісту АТФ у клітині. Як ми знаємо, АТФ витрачається клітиною при здійсненні нею будь-якої діяльності. Синтез ж АТФ відбувається в результаті процесів без кисневого та кисневого розщеплення глюкози. Очевидно, що сталість вмісту АТФ досягається завдяки точному врівноважування обох процесів - витрати АТФ і її синтезу: як тільки вміст АТФ у клітині знизиться, негайно ж включаються процеси без кисневого та кисневого розщеплення глюкози, в ході яких АТФ синтезується і вміст АТФ у клітині підвищується. Коли рівень АТФ досягне норми, синтез АТФ пригальмовується.
Включення і вимикання процесів, які забезпечують підтримку нормального складу клітини, відбувається в ній автоматично. Таке регулювання називається саморегуляцією або авторегуляції.
Основою регулювання діяльності клітини є процеси інформації, тобто процеси, в яких зв'язок між окремими ланками системи здійснюється за допомогою сигналів. Сигналом служить зміна, що виникає в якому-небудь ланці системи. У відповідь на сигнал запускається процес, в результаті якого виникла зміна усувається. Коли нормальний стан системи відновлено - це служить новим сигналом для виключення процесу.
Зниження вмісту АТФ у клітині представляє сигнал, який запускає процес синтезу АТФ. Коли концентрація АТФ досягне норми - це новий сигнал, що приводить до вимикання синтезу АТФ.
Яким же чином працює сигнальна система клітини, як вона забезпечує процеси авторегуляції в ній?
Прийом сигналів усередині клітини виробляється її ферментами. Ферменти, як і більшість білків, мають нестійкою структурою. Під впливом низки чинників, в тому числі багатьох хімічних агентів, структура ферменту порушується і каталітична активність його втрачається. Ця зміна, як правило, оборотно, тобто після усунення діючого фактора структура ферменту повертається до норми і його каталітична функція відновлюється.
Механізм авторегуляції клітини заснований на тому, що речовина, зміст якого регулюється, здатне до специфічного взаємодії з породжує його ферментом. У результаті цієї взаємодії структура ферменту деформується і каталітична активність його втрачається.
Механізм авторегуляції клітини працює наступним чином. Ми вже знаємо, що хімічні речовини, що виробляються в клітці, як правило, виникають в результаті декількох послідовних ферментативних реакцій. Згадайте без кисневий і кисневий процеси розщеплення глюкози. Кожен з цих процесів являє довгий ряд - не менше десятка послідовно протікають реакцій. Цілком очевидно, що для регулювання таких багаточленних процесів досить виключення якого-небудь одного ланки. Досить вимкнути хоча б одну реакцію - і зупиниться вся лінія. Саме цим шляхом і здійснюється регуляція вмісту АТФ у клітині. Поки клітина знаходиться в спокої, вміст АТФ в ній близько 0,04%. При такій високій концентрації АТФ вона реагує з одним з ферментів без кисневого процесу розщеплення глюкози. У результаті цієї реакції всі молекули даного ферменту позбавлені активності і конвеєрні лінії без кисневого і кисневого процесів не діють. Якщо завдяки певній діяльності клітини концентрація АТФ у ній зменшується, тоді структура і функція ферменту відновлюються і без кисневий і кисневий процеси запускаються. У результаті відбувається вироблення АТФ, концентрація її збільшується. Коли вона досягне норми (0,04%), конвеєр без кисневого і кисневого процесів автоматично вимикається.
За зразком авторегуляції АТФ відбувається авторегуляції змісту та інших речовин в клітині.
Подразливість і рух клітин
Подразливість. На будь-який організм постійно діють різноманітні фактори зовнішнього середовища, наприклад: світло, температура, тиск, звук, електричний струм, сила тяжіння та ін Дія всіх зовнішніх чинників-подразників викликає у організму у відповідь реакції, в основі яких лежить властивість подразливості клітин. Подразливістю називають здатність організмів, а також клітин відповідати на впливи зовнішнього середовища певними реакціями.
Подразливість можна спостерігати у будь-яких клітин і організмів. У найпростіших, наприклад у амеб, Евглена, інфузорій, реакція на зміну умов середовища проявляється в пересуванні їх по відношенню до подразника. Такі рухи називаються Таксис.
Якщо найпростіші рухаються у напрямку до подразника, то такі рухи їх іменуються позитивним таксисом; руху самих найпростіших від подразника носять назву негативного Таксис. Ті рухи, які виникають у відповідь на дію світла, отримали назву фототаксис. Приклад фототаксис - рух зелених жгутиконосцев у напрямку до джерела освітлення: якщо акваріум, в якому знаходяться Евглена, однаково освітлений з усіх сторін, то Евглена рівномірно розподіляються по всій товщі води. Якщо ж найбільш сильно висвітлити лише яку-небудь одну частину акваріума, то Евглена скупчуються саме в цій освітленої частини, проявляючи позитивний фототаксис по відношенню до світла.
Рухи найпростіших, викликані дією хімічних речовин, іменуються хемотаксису. Хемотаксис можна спостерігати у інфузорії туфельки: якщо у пробірку налити воду з розташованими в ній інфузоріями, то через невеликий проміжок часу вони всі зберуться у верхньому шарі води, багатому киснем. Інфузоріям необхідний кисень для дихання, і вони по відношенню до нього проявляють позитивний хемотаксис. Ті руху найпростіших, які виникають під впливом зміни температури, називаються термотаксис. Термотаксис можна також легко спостерігати у інфузорії туфельки. Для цього туфельок разом з невеликою кількістю середовища, в якій вони перебувають, поміщають в тонкий скляний капіляр, який з одного боку охолоджується льодом, а з іншого підігрівається гарячою водою до температури 38-40 ° С. Туфельки, спочатку рівномірно розподілялися по всій довжині капіляра , починають рухатися від занадто холодних і занадто гарячих його ділянок, проявляючи до них негативний термотаксис і збираючись в середній зоні з температурою 24-26 ° С, що для них служить оптимальної, тобто найкращою для життя. Саме до цієї температурі вони виявляють чітко виражений позитивний термотаксис.
Явище подразливості добре виражено і у клітин рослин. Найчастіше у рослин зустрічаються прояви подразливості у формі повільних рухових реакцій. Такі повільні рухи, спрямовані до подразника або від нього, називаються тропізм. У рослин широко поширені фототропізму - рухи, що виникають у відповідь на дію світла. Рослини тягнуться до світла, згинаються у напрямку до нього, і в основі цієї реакції лежить властивість подразливості їх клітин.
Іноді ж клітини рослин швидко реагують на дію подразників. Прикладом може служити швидка реакція у рослини, відомого під назвою «сором'язлива мімоза». При будь-якому дотику до мімози, при приміщенні в темряву або в умови підвищеної температури листя її складаються і як би в'януть. Як тільки дія подразника припиняється, листя мімози беруть колишнє положення. В основі цієї швидкої реакції мімози лежить також властивість подразливості її клітин. Ще приклад швидкої реакції рослини на дію подразника. На болотах, а іноді і по берегах струмків зростає росичка - рослина, що харчується комахами. Росичка - невелика рослина з розеткою сланких листя, схожих на лопатки. Поверхня кожного аркуша покрита чутливими волосками червоного кольору. Кінчик кожного волоска потовщений і покритий крапельками блискучого, як роса, і липкого, як клей, соку. Якщо на такий лист сяде комаха, наприклад комар або невеликий жук, то клейкий сік волосків відразу ж утруднює його руху і комаха опиняється в пастці. Волоски листа, зачеплені комахою, швидко складаються над спійманої видобутком і рясно поливають її соком. Сік, виділений секреторними клітинами листа, містить ферменти, під дією яких розщеплюються білки. Комаха перетравлюється і через кілька годин всмоктується. Після цього волоски листа піднімаються, і лист знову готовий до «полювання».
У порівнянні з багатоклітинними тваринами реакції одноклітинних організмів і рослин, що виникають у відповідь на дію подразника, відносно прості: клітини їх безпосередньо взаємодіють із зовнішнім середовищем. У складноорганізованих багатоклітинних тварин і у людини нервова система в процесі еволюції стала основним посередником між організмом і навколишнім середовищем. Людина і тварини отримують інформацію про зміни зовнішнього і внутрішнього середовища за допомогою рецепторів - особливих клітин, що володіють високою чутливістю до дії різноманітних подразників.
У людини 5 видів зовнішніх рецепторів, які відомі вам з курсу фізіології (згадаймо і назвіть їх). Є й безліч внутрішніх рецепторних клітин. 2 в крови.
Наприклад, по всьому тілу розсіяні больові рецепторні клітини, в стінках великих кровоносних судин перебувають чутливі клітини, що реагують на зміну концентрації CO 2 в крові.Подразливість - одна з основних ознак життя. Поки організм живий, він роздратований. З припиненням життя подразливість зникає. Величезне значення подразливості клітин і організмів полягає в тому, що вона дозволяє всім живим істотам перебувати в постійному зв'язку з навколишнім світом, дає можливість пристосовуватися до нього. Подразливість клітин пов'язана в першу чергу з тими великими змінами, які відбуваються в білках, що входять до складу мембран цитоплазми і ядра кожної клітини. При дії подразників, як це стало відомо зараз, відбуваються зміни в структурі білкових молекул. Здатність до зміни структури у відповідь на дію подразників - це, мабуть, одна з первинних елементарних властивостей білків, яке виникло в процесі еволюції організмів.
Рух. У тісному зв'язку з подразливістю знаходиться здатність клітин і організмів здійснювати рухи. Основу руху складає скоротність цитоплазми клітин. Скорочення - одне з основних властивостей цитоплазми живих клітин.
Як правило, рослини нерухомо ростуть на одному місці, і виключення становлять тільки деякі одноклітинні водорості (наприклад, діатомові), здатні до самостійного пересування. Ми вже бачили, що на дію таких зовнішніх подразників, як світло, рослини відповідають рухами листя і пагонів. Крім того, у рослин руху проявляються у зростанні.
У клітинах всіх рослин постійно відбувається рух цитоплазми. Ці рухи називаються струмами цитоплазми. Їх можна бачити за допомогою мікроскопа у водоростей, у клітинах листя традесканції і в інших рослинних клітинах. Струми цитоплазми є також в клітинах тварин, і їх легко спостерігати, наприклад, у таких простих, як інфузорії.
Здатність до пересування у зовнішньому середовищі характерна для багатьох видів бактерій, найпростіших, для величезної більшості багатоклітинних тварин. У організмів, здатних до пересуванням у зовнішньому середовищі, розрізняється 4 типи руху клітин: амебоідному, ресничное, жгутиковой і м'язове.
Деякі загальні поняття генетики
Природа гена і генотипу. Ознайомившись з основними законами генетики, ми можемо тепер підвести деякі підсумки та поглибити наше уявлення про природу гена і генотипу організмів. Спадкова основа (генотип) організму являє собою складну систему, що складається з окремих відносно незалежних елементів - генів. Реальність гена доводиться двома основними групами фактів: 1) відносно незалежним комбінуванням при розщепленні, 2) здатністю змінюватися - мутувати. До числа основних властивостей гена відноситься і його здатність до подвоєння, яке відбувається при діленні клітини (подвоєння хромосом). Гени володіють значною стійкістю, що і визначає собою відносну постійність виду. Між генами здійснюється тісна взаємодія, в результаті чого генотип у цілому не може розглядатися як проста механічна сума генів, а являє собою складну, що склалася в процесі еволюції організмів систему.
Матеріальною основою генів і генотипу служать хромосоми, до складу яких входить ДНК і білки. Біохімічної (молекулярної) основою перерахованих вище властивостей гена є здатність ДНК до самоудвоение (редуплікації). В основі дії гена в процесі розвитку організму лежить його здатність за посередництвом РНК визначати синтез білків. У молекулі ДНК як би записана інформація, яка визначає склад білкових молекул. Особливо чудово, що цей механізм є спільними на всіх щаблях еволюції органічного світу - від вірусів і бактерій до ссавців і квіткових рослин. Це служить вказівкою на те, що біологічна роль нуклеїнових кислот визначилася на дуже ранніх етапах еволюції життя, можливо, саме у момент переходу від неживого до живого.
Незважаючи на великі успіхи в розвитку генетики, особливо за останні десять років, ще багато питань не вирішені наукою. Так, ще не зрозуміле питання, яким чином гени діють в процесі розвитку організму. Справа в тому, що в кожній клітині є Диплоїдний набір хромосом, а отже, І весь набір генів даного виду. Між тим очевидно, що в різних клітинах і тканинах функціонують лише деякі гени, а саме ті, які визначають властивості даної клітини, тканини, органу. Який же механізм, що забезпечує активність тільки певних генів? Ця проблема зараз посилено розробляється в науці. Є вже деякі дані, які вказують, що в регуляції дії генів провідна роль належить білкам, що входять до складу хромосом поряд з ДНК.
Цитоплазматична спадковість. Всі дані сучасної генетики стверджують провідну роль хромосом у спадковості. Хромосомна теорія грунтується на величезній кількості фактів, з багатьма з яких ми познайомилися вже вище. Чи означає це, що в цитоплазмі не існує будь-яких структур, які поряд з хромосомами ядра грали б роль в спадкової передачі? Такі структури є. Це дозволяє нам говорити поряд з ядерної та про цитоплазматичної спадковості, що грає, однак, другорядну, підпорядковану роль.
Приклади цитоплазматичної спадковості.
У рослин пластиди (в тому числі і хлоропласти) розмножуються шляхом поділу. Ці органели, так само як і клітинне ядро, мають здатність до самовідтворення. У квіткових рослин пластиди передаються наступному поколінню через яйцеві клітини, так що між пластиду наступних поколінь є безпосередня спадкоємність. Через пилкову трубку передача пластид теж можлива, але в невеликій кількості і не завжди. У ряду рослин описані спадкові зміни (мутації), що стосуються властивостей хлоропластів. Одним з таких змін є втрата (повна або часткова) хлоропластами здатності до синтезу хлорофілу. Якщо це зміна торкнеться тільки частина хлоропластів, то виходить характерна картина Ряболиста, яка виражається в тому, що окремі частини листа й інших зелених органів рослини позбавлені хлорофілу і виявляються світлими. Ця спадкова особливість передається майже виключно по материнській лінії (через цитоплазму яйцеклітини), що пов'язано з безпосередньою передачею змінених хлоропластів.
В даний час є і деякі інші факти, що вказують на явище цитоплазматичної спадковості, характерною рисою якої завжди - служить передача по материнській лінії. Це пояснюється тим, що яйце багато цитоплазмою, тоді як сперматозоїд майже позбавлений її.
Генетика і еволюційна теорія
Розроблена Дарвіном еволюційна теорія грунтується на трьох основних, факторах: мінливості, спадковості і природний добір. Головне значення як матеріал для відбору має, за Дарвіном, невизначена, ненаправленная спадкова мінливість. За часів Дарвіна не існувало ще ясного розмежування між мінливістю, яка зачіпає генотип, і модификационной мінливістю, що лежить у межах норми реакції. в.
Генетика виникла і розвинулася значно пізніше - у XX ст.У світлі сучасних наукових даних можна стверджувати, що основу дарвінівської невизначеної мінливості складають мутації. Їх і слід розглядати як основний первинний матеріал для еволюційного процесу. Особи, що несуть мутаційні зміни, схрещуються з іншими особинами, які їх не мають або ж несуть інші спадкові зміни. Виходять нові поєднання генів, нові генотипи. Ця мінливість (мутації і комбінації в результаті вільного схрещування) і дає первинний матеріал для природного відбору, що веде до створення нових різновидів і видів.
Резерв спадкової мінливості. Постійно протікає мутаційний процес і вільне схрещування призводить до того, що в межах виду та окремих його популяцій накопичується велика кількість зовні не виявляються спадкових зміні. Створення такого, за висловом академіка І.І. Шмальгаузена, «резерву спадкової мінливості» відбувається тому, що переважна більшість виникаючих мутацій рецесивні і фенотипічно ніяк не виявляються. Хромосоми, що несуть мутації, в результаті подвоєння поступово поширюються серед популяції, в якій здійснюється вільне схрещування. Поступово відбувається зростання концентрації виникла мутації, яка поширюється усе ширше, не проявляючись, однак, фенотипічно до цих пір, поки вона залишається гетерозиготною. За досягнення досить високої концентрації робиться імовірним схрещування особин, що несуть рецесивні гени. При цьому з'являться гомозиготні особини, у яких мутація проявиться фенотипічно. У цих випадках мутації підпадають під контроль природного добору.
Генетичні дослідження природних популяцій рослин і тварин показали, що при відносній фенотипической однорідності вони насичені різноманітними рецесивними мутаціями. Таким чином, кожен вид і кожна його популяція з генетичної точки зору являють собою досить складну гетерозиготну систему, що знаходиться під безпосереднім і постійним контролем природного під безпосереднім і постійним контролем природного добору, що вперше було показано роботами І. І. Шмальгаузена. При цьому різні популяції одного виду, що живуть в несхожих умовах, будуть відрізнятися і по резерву спадкової мінливості.
Форми природного відбору. Знайомство з генетикою дозволяє нам поглибити і конкретизувати питання про різні форми природного добору, що протікає в природі. У різних умовах середовища дію природного відбору буде носити різний характер. Припустимо, що створилися умови, за яких деякі виникають спадкові ухилення корисні. У цьому випадку дія добору (або, як часто говорять, «тиск відбору») буде направлено в одну певну сторону. Це призведе до поступового зміни фенотипу, до зміни норми реакції в одному певному напрямі. Така форма відбору носить назву рушійного добору. Наведемо приклад. Поблизу індустріальних центрів в повітрі багато кіптяви, диму. Стовбури беріз набувають брудно-коричневий відтінок. У живе на березі метелики - березової п'ядуна іноді з'являються темнофарбовані мутації. У звичайних умовах сільської місцевості вони відкидаються відбором, так як роблять метеликів помітними на тлі білої кори берези. Їх поїдають птахи. Інша річ - на забрудненій димом березі. У цих умовах темні п'ядуна стають менш помітними і природний добір їх зберігає. Фактором, що здійснює цей відбір, переважно "служать птиці, поїдають метеликів. При великій напруженості відбору через відносно короткий проміжок часу виникає різновид, що характеризується темним забарвленням. При великому« тиск відбору »рушійна форма його швидко змінює характер популяції. Наприклад, в околицях міста Манчестера темна форма березової п'ядуна витіснила світлу форму, приблизно за 20 років. Рушійна форма природного відбору відіграє основну роль в еволюції, в розвитку пристосувань. Так, наприклад, протікала еволюція коня - від пятипалой кінцівки до однопалой, а також утворення безкрилих острівних форм комах і т. п.
Поряд з рушійним природним відбором в природі широко здійснюється й інша його форма - стабілізуючий відбір. У видів, що живуть у відносно постійних умовах, широкий розмах мінливості, що виводить особини виду за кордону оптимальної для даних умов норми, може бути несприятливий. У таких умовах зберігаються мутації, що ведуть до меншої мінливості даної ознаки, і відсікаються мутації, що визначають більш широку мінливість. Приклад дії стабілізуючого відбору. У обпилюваних комахами рослин малої мінливістю характеризуються частини квітки. Вегетативні органи їх набагато більш мінливі. Це залежить від того, що пропорції квітки тісно «підігнані» до розмірів обпилюють їх комах, і широка мінливість тут відбилася б дуже несприятливо на ході запилення. Стабілізуючий відбір «закріпив» пропорції і розміри частин квітки.
Дії рушійною та стабілізуючої форм відбору в природі тісно пов'язані один з одним. Рушійний відбір перетворює види в мінливих умовах навколишнього середовища. Стабілізуючий відбір закріплює корисні форми у відносно постійних умовах середовища.
Сказане вище показує, що генетичний аналіз популяцій дозволяє значно поглибити і уточнити наші знання про характер мінливості організмів у природі і чіткіше уявити собі механізм дії природного відбору як основного чинника видоутворення і еволюції.
Список літератури
Азімов А. Коротка історія біології. М., 1997.
Кемп П., Армс К. Введення в біологію. М., 2000.
Лібберт Е. Загальна біологія. М., 1978 Льоцці М. Історія фізики. М., 2001.
Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.
Небел Б. Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ. М., 1993.