Фотосинтез.

Схема мейозу

Тема: Обмін речовин та енергії. Енергетичний обмін

1. Групи організмів за типами живлення.

За типами живлення розрізняють такі групи організмів:

Автотрофи - організми, здатні синтезувати органічні сполуки з неорганічних, використовуючі для цього різні форми енергії. Одні з них використовують для процесів синтезу енергію світла - це фототрофи (зелені рослини, фотосинтезуючі бактерії й ціанобактерії). Інші організми для цього використовують енергію хімічних реакцій - це хемотрофи (нітрифікуючі, сіркобактерії, залізобактерії тощо).

Гетеротрофи – організми, джерелом енергії для яких є органічні речовини, синтезовані іншими організмами (живі організми, їхні решт­ки або продукти життєдіяльності), які вони одержують з їжею (тварини, гриби та більшість прокаріот).

2. Загальна характеристика обміну речовин та енергії.

Обмін речовин та енергії (метаболізм)- сукупність про­цесів надходження поживних речовин в живі організми з навколишнього середовища, їхнього перетворення та ви­ведення з організму продуктів життєдіяльності.

Процеси, пов'язані з поглинанням із довкілля, засвоєнням і на­копиченням хімічних речовин, які використовуються для синтезу сполук, потрібних для організму, називають асиміляцією. Сукуп­ність реакцій синтезу, що забезпечують ріст клітин і поновлення їхнього хімічного складу, називають пластичним обміном.Про­цеси обміну речовин, які приводять до розкладу певних сполук, нази­вають дисиміляцією. Сукупність реакцій розщеплен­ня складних сполук, які супроводжуються виділенням енергії, на­зивають енергетичним обміном.

Таким чином, асиміляція та дисиміляція - це різні сторони єдиного процесу обміну речовин і перетворення енергіїв живих організмах.

3. Аденозинтрифосфорна кислота та її роль у біоенергетич­них процесах.

Універсальним джерелом енергії для живих організмів є аденозинтрифос­форна кислота (АТФ). Це невипадково, молекула АТФ - нуклеотид, який складається із залишків азотистої основи (аденіну), вуглеводу (ри­бози) та трьох залишків фосфорної кислоти, які зв’язуються макроергічними зв’язками. Ця структура є нестійкою. Під дією ферменту може відщеплюється один залишок фосфор­ної кислоти, АТФ перетворюється на аденозиндифосфат (АДФ), вивільнюючи близько 42 кДж енергії. Коли від молекули АТФ від­щеплюються два залишки фосфорної кислоти, утворюється аденозинмонофосфат (АМФ), при цьому вивільнюється 84 кДж енергії.

Ця енергія використовується для синтезу необхідних організму спо­лук, підтримання певної температури тіла тощо. З іншого боку, час­тина енергії, що вивільнюється, витрачається на синтез АТФ. Таким чином, молекули АТФ є універсальним хімічним акумулятором енергії в клітинах.

Генетичний код - властива всім живим організмам єдина система збереження спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот у вигляді певної послідовності нуклеотидів, яка визначає порядок введення амінокислот до поліпептидного ланцюга під час його синтезу.

Ділянка молекули ДНК, яка несе інформацію про первинну структуру одного білка, має назву ген.

Триплет- це ділянка ланцюга ДНК з трьох послідовно розташованих нуклеотидів, яка кодує одну з амінокислот.

Властивості генетичного коду:

1) Код триплетний, тобто встановлено, що кожний амінокислотний залишок у поліпептидному ланцюзі кодується певною послідовністю з трьох нуклеотидів.

2) Код універсальний, тобто єдиний для всіх організмів, які існують на Землі. В усіх організмів одні й ті самі амінокислоти кодуються одними й тими самими триплетами.

3) Код вироджений, тобто одну амінокислоту можуть кодувати кілька різних триплетів, що підвищує надійність генетичного коду.

4) Код однозначний, тобто кожний триплет кодує лише одну певну амінокислоту.

5) Код не перекривається, тобто генетична інформація може зчитуватися лише одним способом. Послідовність нуклеотидів починає зчитуватися із певної точки в одному напрямку, що визначає порядок зчитування триплетів усього ланцюга нуклеотидів.

6) У коді є "розділові знаки", тобто триплети, які не несуть генетичної інформації і лише відокремлюють одні гени від інших. Їх називають спейсерами (від англ. спейс - простір). У генетичному коді також є триплети (УАА, УАГ, УГА), кожен з яких означає припинення синтезу одного поліпептидного ланцюга (так звані стоп-кодони), а триплет АУГ визначає місце початку синтезу наступного.

3. Етапи біосинтезу білка.

Механізм процесу біосинтезу білків з'ясовано у 50-х роках XX сторіччя. На основі робіт багатьох вчених була висунута матрична теорія синтезу білка. Згідно цієї теорії, синтез білка - дуже складний багатоступінчастий процес. У ньому беруть участь ДНК, різні види РНК і різноманітні ферменти. Кожний білок синтезується на своїй особливій матриці і для цього потрібна своя особлива іРНК. Одна молекула іРНК визначає послідовність нуклеотидів з відрізка ДНК, рівного одному гену, і переносить цю інформацію на послідовність розташування амінокислот у поліпептидному ланцюгу одного білка.

Етапи біосинтезу білка:

І. Транскрипція.

Транскрипція- це синтез молекули іРНК на одному з ланцюгів ДНК, який здійснюється за принципом комплементарності.

При цьому кожному з триплетів гену ДНК у іРНК відповідає послідовність з трьох нуклеотидів, які комплементарні нуклеотидам триплету та мають назву кодон. Тобто певному триплету ДНК відповідає кодон іРНК (триплет ДНК - кодон іРНК).

ІІ.Активація амінокислот та приєднання їх до тРНК.

Амінокислоти надходять до рибосоми не самостійно, а у супроводі тРНК. Біля верхівки "листка конюшини" тРНК розташовані три нуклеотиди, що визначають, яку саме амінокислоту слід транспортувати. Ця послідовність нуклеотидів у складі тРНК має назву антикодон, тому що вона комплементарна одному з кодонів іРНК (триплет ДНК - кодон іРНК - антикодон тРНК). Особливий фермент "пізнає" антикодон і приєднує до основи молекули тРНК не яку-небудь, а певну, "свою" амінокислоту. У клітині є стільки ж різних типів тРНК, скільки типів кодонів, кодуючих амінокислоти.

ІІІ. Трансляція.

Трансляція (від лат. транслятіо- передача) - це процес переносу інформації про первинну структуру білка, яка міститься у вигляді послідовності нуклеотидів іРНК, далі у вигляді послідовності амінокислотних залишків молекули білка, що синтезується, який супроводжується ототожненням кожної амінокислоти синтезуємого білка з певним кодоном іРНК через посередництво антикодону тРНК.

IV. Утворення вторинної, третинної та четвертинної структур молекули білка.

На заключному етапі синтезований білок набуває своєї природної просторової структури. За участю відповідних ферментів від нього відщеплюються зайві амінокислотні залишки, вводяться небілкові фосфатні, карбоксильні та інші групи, приєднуються вуглеводи, ліпіди тощо. Лише після цих процесів молекула білка стає функціонально активною.

Всі процеси синтезу білкової молекули здійснюються при участі спеціальних ферментів. А також, що кожна з цих реакцій потребує витрат енергії, джерелом якої є реакції розщеплення АТФ.

Тема: Хемосинтез. Фотосинтез

1. Особливості обміну речовин та енергії у різних груп організмів.

Автотрофна асиміляція

Неорганічні речовини Фотосинтез Прості органічні сполуки

(СО₂, Н₂О та ін.) Хемосинтез (амінокислоти, моносахариди та ін.)

Біосинтез Макромолекули тіла

(білки, ліпіди та ін.)

Гетеротрофна асиміляція

Органічні речовини Травлення Прості органічні сполуки

(білки, вуглеводи та ін.) (амінокислоти, моносахариди та ін.)

Біосинтез Макромолекули тіла

(білки, ліпіди та ін.)

2. Хемосинтез.

Хемосинтез був відкритий у 1887 році видатним російським мікробіологом С.М.Виноградським.

Хемосинтез - це процес утворення органічних речовин за рахунок хімічної енергії перетворення неорганічних сполук. До хемотрофних організмів на­лежать деякі групи бактерій: нітрифікуючи, сіркобактерії, залізобактерії тощо.

Нітрифікуючи бактерії:

нітрити (солі HNO₂)

аміак (NH₃)

нітрати (солі НNO₃) синтез

Залізобактерії: Fe²⁺ Fe³⁺ Е АТФ органічних

Сіркобактерії: сполук

2Н₂S + О₂ = 2Н₂О + 2S

2Н₂S + 2Н₂О + ЗО₂ = 2Н₂SО₄

Фотосинтез - це процес утворення органічних сполук із неор­ганічних завдяки перетворенню світлової енергії в енергію хімічних зв'язків. До фототрофних організмів на­лежать зелені рослини (вищі рослини, водорості), деякі тварини (рослинні джгутикові), а також деякі прокаріоти - ціанобактерії, пурпу­рові та зелені сіркобактерії.

Ведучу роль у процесі фотосинтезу відіграють фотосинтетичні пігменти.

Хлорофілиє основними з фотосинтетичних пігментів. За хімічною природою це складні ефіри дикарбонової хлорофілінової кислоти з двома спиртами: металовим і фітоловим. За своєю структурою вони нагадують гем гемоглобіну, але в цих сполуках замість заліза присутній магній. У цих молекул плоска квадратна "голова" (хлорофілін) і довгий "хвіст" (фітол). Більшість фотосинтезуючих організмів має різні хлорофіли: хлорофіл а(обов'язковий), хлорофіл b (у зелених рослин), хлорофіл c (у діатомових і бурих водоростей), хлорофіл d(у червоних водоростей) (дивись додаток 10). Зелені й пурпурові бактерії містять особливі бактеріохлорофіли. Крім хлорофілів у хлоропластах є жовті, червоні пігменти (каротин і ксантофіл).

У клітинах вищих рослин фотосинтез відбувається в спеціальних органелах -хлоропластах.

В основі фотосинтезу лежить окиснювально-відновний процес, пов'язаний із перенесенням електронів від сполук постачальників електронів (донорів) до сполук, які їх сприймають (акцепторів), з утворенням вуглеводів і виділенням в атмосферу молекулярного кисню. Світлова енергія перетворюється на енергію синтезованих органічних сполук (вуглеводів) в особливих структурах - реакцій­них центрах, що містять хлорофіл а.

Процес фотосинтезу відбувається в дві фази - світлову та темнову.

1) Світлова фаза фотосинтезу.Світлова фаза відбувається в мембранах тилакоїдів хлоропластів за наявності світла та участі хлорофілу, білків-переносників, АТФ-синтетази (схема світлової фази фотосинтезу).

Схема світлової фази фотосинтезу

е^- е^- е^- е^- е^- е^- е^- е^- е^- е^- е^- е^- е^- е^- е^- е^-

2Н⁺ + 4е^- + НАДФ⁺ = НАДФ^.Н₂

2) Темнова фаза фотосинтезу.Реакції темпової фази фотосинтезу перебігають у внутріш­ньому середовищі (матриксі) хлоропластів як на світлі, так і за його відсутності. В ході реакцій темнової фази СО₂ відновлюється до глюкози завдяки енергії, що вивільнюється при розщепленні АТФ, та за рахунок відновленого НАДФ.

Сполукою, яка сприймає атмосферний СО₂, є рибульозобіфосфат - РБФ (п'ятивуглецевий цукор, сполучений із двома залишками фос­форної кислоти). Процес приєднання СО₂ каталізує фермент карбоксилаза. Внаслідок складних і багатоступеневих хімічних реакцій, кожну з яких каталізує свій специфічний фермент, утворюється кін­цевий продукт фотосинтезу - глюкоза, а також відновлюється ак­цептор СО₂ - рибульозобіфосфат. З глюкози в клітинах рослин можуть синтезуватися полісахариди - крохмаль, целюлоза тощо (схема темнової фази фотосинтезу).

Підсумкове рівняння процесу фотосинтезу у зелених рослин має такий вигляд:6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Схема темнової фази фотосинтезу

Цикл Кальвіна:

6РБФ + 6СО₂ +6Н₂О

12ФГК

12АТФ

12ДФГК 12НАДФ^.Н₂

10ФГА С₆Н₁₂О₆

Підсумкове рівняння процесу фотосинтезу:

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

глюкоза

3. Значення фотосинтезу для біосфери (самостійна робота з текстом).

Значення фотосинтезу для біосфери важко переоцінити. Саме завдяки цьому процесові вловлюється світлова енергія Сонця. Фотосинтезуючі організми перетворюють її на енергію хімічних зв'язків синтезованих вуглеводів, а потім по ланцюгах живлення вона передається гетеротрофним організмам. Отже, не буде пере­більшенням вважати, що саме завдяки фотосинтезу можливе існу­вання біосфери.

Зелені рослини та ціанобактерії, поглинаючи ву­глекислий газ і виділяючи кисень, впливають на газовий склад атмосфери. Увесь атмосферний кисень має фотосинтетичне по­ходження. Щорічно завдяки фотосинтезу на Землі синтезується близько 150 млрд. тонн органічної речовини і виділяється понад 200 млрд. тонн вільного кисню, який не тільки забезпечує дихання організмів, але й захищає все живе на Землі від згубного впливу короткохвильових ультрафіолетових космічних променів (озоновий екран атмосфери).

Але загалом процес фотосинтезу малоефективний. У синтезова­ну органічну речовину переводиться лише 1-2% сонячної енергії. Це пояснюється неповним поглинанням світла рослинами, а також тим, що частина сонячного світла відбивається від поверхні Землі назад у космос, поглинається атмосферою тощо. Продуктивність процесу фотосинтезу зростає за умов кращого водопостачання рослин, їхнього оптимального освітлення, забезпечення вуглекислим газом, завдяки селекції сортів, спрямованій на підвищення ефек­тивності фотосинтезу

Розділ ІІІ. Організмовий рівень організації життя

Тема 1. Неклітинні форми життя і одноклітинні організми

Тема: Неклітинні форми життя

1. Відкриття вірусів.

Віруси вивчає наука вірусологія. Відкрит­тя цих організмів належить Д.І. Івановському - вченому, який три­валий час працював в Україні, зокрема в Нікітському ботанічному саду (Крим). Досліджуючи мозаїчне захворювання тютюну, він за допомогою мікробіологічних фільтрів намагався виділити його збудника. Але навіть фільтри з найдрібнішим діаметром пор не могли його затримати, і профільтрований сік хворої рослини спричинював заражен­ня здорових. Таким чином, у 1892 році Д.І. Івановський довів існу­вання нової, невідомої досі науці, групи збудників захворювань, які згодом назвали віруси (від лат. вірус - отрута).

2. Місце вірусів у системі органічного світу.

За сучасними уяв­леннями віруси як внутрішньоклітинні паразити складають окре­ме царство живої природи - царство Віра. Від представників інших царств (бактерій, рослин, грибів і тварин) віруси відрізняються тим, що не мають клітинної будови. Поза клітиною-хазяїном вони не проявляють ніяких властивостей живого, лише взаємодіючи із синтезуючими апаратами клітин-хазяїв, віруси здатні проявляти свою життєдіяльність - розмножуватися.

3. Особливості будови та процесів життєдіяльності вірусів.

Вірусні частинки мають розміри від 15 до сотень нанометрів (най­більший серед вірусів тварин і людини збудник природної віспи - до 450 нм), іноді - до 2000 нм (деякі віруси рослин).

Вірусні частинки складаються з молекули нуклеїнової кислоти (ДНК чи РНК) та оболонки, яка її оточує.

За будовою вірусні нуклеїнові кислоти помітно відрізняються від таких клітинних організмів. Вірусні ДНК чи РНК можуть мати ви­гляд одноланцюгових або дволанцюгових спіралей, що утворюють ви­довжені (лінійні) чи кільцеві форми, спіралі можуть скручуватися у вторинні витки тощо.

Залежно від структури та хімічного складу оболонки віруси по­діляються на прості та складні. Оболонка простих вірусів склада­ється лише з білкових субодиниць, які утворюють упорядковані спі­ральні або багатогранні структури (наприклад, вірус тютюнової мозаїки). Вони можуть мати паличкоподібну, нитчасту або кулясту форми тощо.

Складні віруси, на відміну від простих, можуть бути додатково вкритими ліпопротеїдною поверхневою мембраною, яка становить собою частину плазматичної мембрани клітини-хазяїна.

Життєвий цикл вірусу складається з двох фаз: 1) позаклітинної, на якій він не проявляє жодних ознак життєдіяльності (фаза ві­русних частинок) та деякий час не

втрача­є здатності до зараження; 2) внутрішньоклітинної (утворення ком­плексу вірус-клітина під час розмноження вірусів).

4. Механізми проникнення вірусу до клітини-хазяїна.

Про­никнення вірусу в клітину-хазяїна починається із взаємодії вірус­ної частинки з поверхнею клітини, на якій є особливі рецепторні ділянки. Оболонка вірусу має відповідні прикріпні білки, що «впіз­нають» ці ділянки. Саме цим забезпечується висока специфічність вірусів стосовно клітин-хазяїв: віруси вражають лише певний тип клітин певного виду організмів.

Шляхи проникнення вірусу до клітини-хазяїна: 1) вірусні оболонки зливаються з клітин­ною мембраною (як у вірусу грипу); 2) вірусна частинка потрапляє в клітину шляхом піноцитозу, після чого фермен­ти клітини-хазяїна розщеплюють її оболонку, звільняючи нуклеї­нову кислоту (вірус поліомієліту тварин); 3) у рослинні клітини віру­си можуть проникати через пошкоджені ділянки клітинної стінки; 4) механізм проникнення бактеріофагів у клітину-хазяїна.

Механізм проникнення бактеріофагів у клітину-хазяїна.

Бактеріофаг має досить складну будову:він складається з розширеної частини - головки,в який міститься нуклеїнова кисло­та (ДНК), відростка у вигляді чохла, що нагадує розтягнену пру­жину, всередині якого проходить порожній стрижень, та хвосто­вих ниток, за допомогою яких вірус сполучається з рецепторними ділянками клітини-хазяїна. Після прикріплення до поверхні бактеріальної клітини бактеріо­фаг унаслідок скорочення чохла наче впорскує молекулу нуклеї­нової кислоти через порожній стрижень усередину клітини. Порож­ня оболонка бактеріофага залишається зовні клітини-хазяїна.

5. Розмноження вірусів.

Після проникнення вірусу в клітину-хазяїна його нуклеїнова кислота передає спадкову інформацію про вірусні білки в білоксинтезуючий апарат клітини.

У деяких вірусів вірусна частинка містить іРНК, яка відразу ж сполучається з рибосомами хазяїна і спричинює синтез вірусних білків, у інших іРНК синтезуєть­ся на РНК чи ДНК вірусу. Деякі РНК-вмісні віруси здатні викликати синтез ДНК (явище зворотної реплікації) в ядрі клітини, а ос­тання, в свою чергу, синтезує вірусну іРНК. Особливим випадком є вбудова вірусної ДНК у ДНК клітини-хазяїна. При цьому не відбувається незалежного синтезу вірусних білків, а лише в комплексі з білка­ми клітини.

У подальшому віруси за допомогою продуктів власної життєдіяльності пригнічують синтез білків клітини-хазяїна і стимулюють синтез власних білків, викорис­товуючи білоксинтезуючий апарат клітини-хазяїна та її енергетичні ре­сурси. Водночас молекули нуклеїнової кислоти вірусу подвоюються. Завершується процес розмноження вірусів у клітині-хазяїні скла­данням вірусних частинок, тобто вірусна нуклеїнова кислота «одя­гається» в оболонку із синтезованого клітиною вірусного білка.

Звільняються вірусні частинки з клітини-хазяїна по-різному: 1) часто клітина-хазяїн руй­нується, звільняючи вірусні частинки; 2) у багатьох складних вірусів їхні частинки можуть виходити з клітини, «відбруньковуючись» від неї назовні.

6. Роль вірусів у природі та житті людини.

Завдання. Прочитати текст «Роль вірусів у природі та житті людини» та відповісти на питання:

1) Що таке інфекція? Які є різновиди інфекції? 2) Якими шляхами віруси можуть проникати в організм хазяїна? 3) Які ви знаєте захисні реакції організмів у відповідь на проникнення віру­сів? 4) Які захворювання людини і свійських тварин спричинюють віруси? 5) Як можна уникнути вірусної інфекції? 6) Як людина використовує віруси для своїх потреб?

Роль вірусів у природі та житті людини

1. Вплив вірусів на організм хазяїна. Проникнення вірусу в клі­тину спричинює в ній інфекційні процеси.

Інфекцією називають комплекс процесів, які відбуваються під час взаємодії інфекційного агента (бактерії, гриби, віруси) з організмом хазяїна. Подібні яви­ща, спричинені паразитичними тваринами (найпростішими, чер­вами тощо), називають інвазією.

Розрізняють гострі та хронічні вірусні інфекції. Внаслідок гострої інфекції після утворення нового покоління вірусів клітина, як правило, гине. За хронічної інфекції нові покоління вірусних частинок утворюються в клітині протягом трива­лого часу. Періоди продукування вірусних частинок можуть чергуватися з періо­дами гальмування цих процесів. Інколи материнська клітина може передавати вірусну інфекцію дочірнім.

При латентній (прихованій) інфекції вірусні частинки не виділяються в нав­колишнє середовище і збудника не завжди можна виявити в клітині (віруси гер­песу, ВІЛу тощо), але під впливом активуючих факторів латентна інфекція може перейти або в гостру, або в хронічну.

Трапляється і змішана вірусна інфекція, коли клітину вражають два або більша кількість видів вірусів. При цьому можлива взаємодія різних видів вірусів, унаслі­док якої один із них пригнічує або, навпаки, підсилює розмноження іншого.

Проникнення вірусу в клітину може призвести до структурних та функціональних змін у ній унаслідок механічного пошкодження клітинних структур. Наприклад, якщо зруйновано лізосоми, фер­менти, які звільнилися, можуть почати перетравлювати вміст самої клітини. В деяких випадках віруси можуть спричинити неконтрольований поділ клітин і перетворення їх на ракові (онкогенні віруси, віруси герпесу, папілом тощо).

2. Шляхи проникнення вірусів в організм хазяїна бувають різ­ними. Віруси передаються від хворого організму до здорового повітряно-краплинним шляхом, тобто через органи дихання (віруси грипу, віспи, кору тощо). В інших випадках віруси проникають в ор­ганізм хазяїна з їжею (наприклад, вірус ентериту собак або збудник ящуру, який може передаватись із сирим молоком ураженої корови), через пошкоджену чи непошкоджену шкіру (віруси сказу, віспи, герпесу, папіломи тощо), під час переливання крові, хірургічних або стоматологічних операцій (збудники СНІДу, гепатиту В тощо), статевим шляхом (віруси герпесу, папіломи ВІЛу тощо).

Проникнення вірусу в організм хазяїна можливе і за участю пе­реносників, якими можуть бути різноманітні членистоногі (комахи та кліщі). Через укус зі слиною кровосисних членистоногих у тіло лю­дини потрапляють віруси кліщового енцефаліту (передають іксодові кліщі), жовтої пропасниці (немалярійні комарі) тощо. Віруси, які пе­редаються людині та хребетним тваринам за участю членистоногих, називаються арбовірусами. За участю комах (попелиць, цикад), круг­лих червів (нематод) можуть передаватись і різноманітні віруси рослин.

Віруси, які проникли в організм хазяїна, поширюються по крово­носній, лімфатичній (віруси кору, віспи, кліщового енцефаліту, ВІЛу тощо) чи по нервовій (віруси сказу та поліомієліту) системах. Віруси рослин - по провідних тканинах хазяїв.

3. Захисні реакції організму проти вірусних інфекцій. Орга­нізм людини, тварин і рослин має захисні механізми, здатні про­тистояти вірусним інфекціям. Так, у відповідь на проникнення ві­русів, які розпізнаються як антигени, в організмі людини і тварин виробляються антитіла білкової природи (імуноглобуліни).Вони здатні зв'язувати антигени у комплекс антиген-антитіло, який знешкоджується імунною системою. У результаті такої взаємодії змінюється структура вірусної оболонки або антитіла блокують її прикріпні білки, унаслідок чого вони не можуть зв'язуватись з ре­цепторними ділянками плазматичної мембрани клітин.

У відповідь на проникнення вірусу в клітину можуть виробля­тись захисні білки - інтерферони, що пригнічують розмноження вірусів. На відміну від антитіл, інтерферони не мають специфічності по відношенню до певних видів вірусів. їх застосовують у лікуванні та профілактиці багатьох вірусних захворювань.

Крім гуморального імунітету, який здійснюється завдяки виробленню антитіл, є й клітинний, що ґрунтується на здатності певних видів лейкоцитів розпізнавати інфіковані вірусами кліти­ни й знищувати їх. У гемолімфі членистоногих знайдено особливі ферменти, які розкладають вірусні частинки.

В одних випадках організм, який переніс вірусну інфекцію, в по­дальшому зберігає несприйнятність до її збудника (віспа, кір, ентерит і чумка собак тощо). В інших випадках (грип) можливі й повторні за­хворювання. Вірус імунодефіциту людини (ВІЛ) пригнічує імунну сис­тему хазяїна, знищуючи лімфоцити, і тому людина через певний час гине від того, що її організм не може протистояти іншим інфекційним захворюванням. На жаль, ефективних засобів лікування цієї смертель­но небезпечної хвороби досі не винайдено. Іноді вірус може зберіга­тись в організмі, не спричинюючи захворювання. Такі організми на­зивають носіями, вони беруть участь у поширенні вірусних інфекцій.

4. Значення вірусів у природі та житті людини. Віруси спричи­нюють різноманітні, часто масові (епідемічні) та дуже небезпечні захворювання людини, тварин і рослин, чим завдають їм значної шко­ди. У людини, наприклад, віруси вражають органи дихання (грип, аденоінфекції тощо), травну (гастроентерити, гепатити) чи нервову (поліомієліт, енцефаліти) системи, шкіру та слизові оболонки (кір, гер­пес, папіломи, вітряна віспа), пригнічують імунні реакції організму (СНІД), призводять до ракових захворювань. У свійських тварин ві­руси спричинюють ящур, чумку собак, чуму курей та багато інших захворювань. Віруси спричинюють і різноманітні захворювання куль­турних рослин: мозаїчність, плямистість, некрози, пухлини тощо.

Для того, щоб уникнути вірусних захворювань, необхідно дотри­муватись певних правил. Хворих людей та свійських тварин слід ізолювати від здорових до їхнього одужання (карантин); їх по­трібно лікувати за допомогою антивірусних препаратів; варто зни­щувати кровосисних та паразитичних членистоногих - переносни­ків вірусних захворювань.

Особливе значення в боротьбі з вірусними захворюваннями має профілактичне щеплення, у результаті якого в організмі вироб­ляється імунітет до певного виду захворювань. Завдяки профілак­тичним щепленням вдалося перемогти такі небезпечні захворюван­ня людини, як віспу, поліомієліт. Прищеплюють і свійських тварин: наприклад, собак двічі (до зміни зубів і після неї) — проти чумки, парвовірусного ентериту тощо.

Роль вірусів у природі полягає у регуляції чисельності своїх хазя­їв. Людина використовує віруси у біологічному методі боротьби зі шкідливими видами (личинками кровосисних комарів, шовкопряда-недопарки тощо). Наприклад, проблему масового розмноження кролів в Австралії, що загрожувало виснаженню пасовищ, вдалося розв'язати за допомогою вірусу, який ефективно знизив чисельність цих тварин. Застосовуючи вірус проти шкідливого виду, треба попе­редньо переконатися, чи не вражатиме він й інші організми.

Віруси використовують і в генетичній інженерії: за їхньою до­помогою певний ген, виділений з іншого організму або синтезований штучно, можна переносити в клітини бактерій. Так забезпечується синтез речовин, необхідних людині (наприклад, гормону інсуліну для лікування цукрового діабету, захисних білків-інтерферонів).

Учені вважають, що віруси відіграють певну роль і в еволюції прокаріот, оскільки можуть передавати спадкову інформацію від одних особин цих організмів до інших, як у межах одного виду, так і між різними, вбудовуючись у спадковий матеріал клітини-хазяїна.

Тема: Особливості організації і життєдіяльності прокаріотів

Прокаріоти- окреме надцарство організмів, до якого належать бакте­ріїта ціанобактерії (синьо-зелені водорості).

1. Особливості будови клітин бактерій.

Бактерії(від грец. βακτήριον — паличка) — одна з основних найпоширеніших груп живих організмів. Вони присутні у ґрунті, воді, повітрі та як симбіонти у інших організмах.

Розміри бактерій: довжина клітини коливається в межах від 1-30 мкм (рідко більше), ширина — 0,2-1 мкм. За формою бактерії поділяють на коки, або кулясті; палички (бацили), що мають форму циліндра; вібріони, що мають форму коми; спірили — спірально вигнуті палички.

Деякі бактерії мають здатність рухатись за допомогою джгутиків, які бувають більшими за саму клітину і є тоненькими виростами цитоплазми. Кількість джгутиків у різних видів неоднакова (один, два і більше).

Поверхневий апарат бактерії складається з плазматичної мембрани, клітинної стінки, іноді - ще й слизової капсули. За структурою клітинної стінки бактерії можуть бути розділені на дві групи: грампозитивні та грамнегативні,що визначається фарбуванням за Грамом (у перших клітинна стінка забарвлюється специфічними барвниками, а у других – ні). Грампозитивні бактерії мають клітинну стінку, яка складається з шару пептидогліканів (муреїн), тоді як грамнегативні бактерії мають також зовнішню мембрану окрім тонкого шару пептидогліканів. На поверхні, поза шаром пептидоглікану або зовнішньою мембраною, часто розташовується білковий шар. Цей шар забезпечує хімічний і фізичний захист поверхні клітини і може служити макромолекулярним бар'єром.

Під плазматичною мембраною знаходиться цитоплазма клітини. Цитоплазма бактерій містить включення, рибосоми, велику кількість мембранних структур. ДНК бактерій знаходиться в особливій ядерній зоні клітини, яку називають нуклеоідом.

2. Особливості процесів життєдіяльності бактерій.

Дихання. За відношенням до кисню бактерії поділяють на дві групи: аероби і анаероби. Аеробивикористовують для дихання вільний кисень атмосфери. Анаеробиростуть і розмножуються в середовищі без кисню. Вони дістають енергію в процесі анаеробного розщеплення органічних речовин, накопичуючи різні проміжні продукти — спирт, молочну кислоту, гліцерин та інші речовини.

Живлення.За характером живлення бактерії поділяють на гетеротрофні і автотрофні.Гетеротрофні бактеріїподіляють на сапрофітів і симбіонтів. Бактеріі сапрофіти живляться органічними рештками відмерлих рослин і тварин, продуктами харчування людини. Вони спричинюють гниття і бродіння (ферментацію) органічних речовин.

Бактерії-паразити живуть за рахунок живих організмів. Одні з них — хвороботворні і можуть спричинити захворювання тварин і людини (чуму, тиф, туберкульоз, перитоніт, менінгіт, ангіну, ботулізм, газову гангрену та ін.), інші є причиною хвороб рослин.

Деякі гетеротрофні бактеріїв процесі еволюції виробили здатність до симбіозу (мутуалізму) з вищими рослинами. Це, наприклад, азотфіксуючі бактерії,які живуть на коренях бобових рослин, — бульбочкові бактерії. Вони поглинають азот з ґрунту й повітря і перетворюють його на сполуки, доступні для використання бобовими рослинами, які, в свою чергу, постачають бактеріям вуглеводи та мінеральні солі.

Автотрофні бактерії — це бактерії, що можуть синтезувати органічні речовини з неорганічних у результаті фотосинтезу (фототрофи) або хемосинтезу (хемотрофи). До фототрофних належать пурпурові й зелені сіркобактерії, які синтезують складові частини свого тіла з мінеральних речовин, а енергію використовують світлову. Хемотрофні бактерії живляться за допомогою хемосинтезу, оскільки органічні речовини синтезуються з неорганічних за рахунок енергії хімічних реакцій. До них належать нітрифікуючи, залізо і сіркобактерії.

Розмноження. Бактерії розмножуються, як правило, безстатевим шляхом — поділом материнської клітини на дві дочірні. Поділ відбувається дуже швидко і йому передує реплікація ДНК. За сприятливих умов деякі бактерії діляться кожні 20—30 хвилин. У бактерій відомий і статевий процес — кон'югація (від лат. кон'югатіо — сполучення), коли дві клітини обмінюються спадковою інформацією (у вигляді фрагментів молекули ДНК) через цитоплаз­матичний місток, що виникає на певний час. Це явище підвищує спад­кову мінливість.

Спороутворення. За несприятливих умов (нестача їжі, погодні умови, отруєння середовища продуктами життєдіяльності бактерій) багато бактерій здатні стискатися, втрачати воду і переходити в стан спокою до настання сприятливих умов. Деякі види бактерій за несприятливих умов формують спори, які характеризуються значною стійкістю. Ці форми бактерій витримують тривале кип’ятіння, висушування, заморожування, дію різних хімічних речовин.

3. Особливості будови і процесів життєдіяльності ціанобактерій.

Ціанобактерії (лат. Cyanobacteria, — синьо-зелений) — значна група великих грамнегативних еубактерій, здатних до фотосинтезу, який супроводжується виділенням кисню.

Ціанобактерії найбільш близькі до найдавніших мікроорганізмів, залишки яких (строматоліти, вік більш 3,5 млрд. років) виявлені на Землі. Ціанобактеріїдуже поширені в природі. Існують морські і прісноводні, ґрунтові види, учасники симбіозів (наприклад, у лишайників). Ціанобактеріїскладають значну частку океанічного фітопланктону.

Серед ціанобактерій зустрічаютьсяодноклітинні, нитчасті і колоніальні форми. Розмір ціанобактерій коливається від 0,2 мкм до декількох сантиметрів. Ціанобактерії відрізняються здатністю адаптувати склад фотосинтетичних пігментів до спектрального складу світла, тому їхній колір варіює від зеленого до темно-синього.

Будова клітини ціанобактеріїподібна до будови клітини бактерії. Але в клітинах ціанобактерій немає органел руху і виявлені хроматофори— кулясті мембранні структури, в яких знаходяться фотосинтетичні пігменти.

Основним способом розмноження є поділ в одній чи декількох площинах, множинний поділ. Життєвий цикл в одноклітинних форм при оптимальних умовах росту коливається у межах 6—12 годин.

Для ціанобактерій притаманне сполучення двох важкопоєднуваних процесів: фотосинтетичної продукції кисню і фіксації атмосферного азоту.

Ціанобактерії володіють повноцінним фотосинтетичним апаратом, характерним для кисневиділяючих фотосинтетиків. Кінцевим акцептором електронів служить ферредоксин, донором електронів — вода, що розщеплюється в системі окиснювання води, аналогічній системі вищих рослин.

Фотосинтетичні пігменти представлені фікобілінами (як і в червоних водоростей). При відключенні фотосинтетичних пігментів ціанобактерії здатні до використання інших, ніж вода, екзогенних донорів електронів: відновлених з'єднань сірки, органічних сполук. Однак ефективність такого шляху фотосинтезу невелика, і він використовується переважно для переживання несприятливих умов. Накопичена енергія використовується в темнових процесах фотосинтезу для синтезу органічних речовин з атмосферного CO₂.

Азотфіксаціязабезпечується ферментом нітрогеназой, яких відрізняється високою чутливістю до молекулярного кисню. Оскільки кисень виділяється при фотосинтезі, в еволюції ціанобактерій реалізовані дві стратегії: просторового і тимчасового роз'єднання цих процесів. В одноклітинних ціанобактерій пік фотосинтетичної активності спостерігається у світлий, а пік нитрогеназної активності — у темний час доби. У нитчастих ціанобактерій процес азотфіксації локалізований у спеціалізованих диференційованих клітинах — гетероцистах, що відрізняються товстими покривами, що перешкоджають проникненню кисню (у середовищі колонії може нараховуватися 5-15 % гетероцист). Гетероцисти одержують органічні речовини від фотосинтезуючих членів колонії.

4. Роль бактерій і ціанобактерій у природі і житті людини.

Важлива роль багатьох видів бактерій у процесах гниття та різних типів бродіння, тобто у виконанні санітарної ролі на Землі. Бактерії також мають велике значення у кругообігу вуглецю, кисню, водню, азоту, фосфору, сірки, кальцію та інших елементів.

Багато видів бактерій сприяють активній фіксації атмосферного азоту і переводять його в органічну форму, що підвищує родючість ґрунтів.

Велике значення мають бактерії, що розкладають целюлозу й пектинові речовини, які є основним джерелом вуглецю для життєдіяльності мікроорганізмів ґрунту.

Сульфатредукуючі бактерії беруть участь в утворенні нафти і сірководню в лікувальних грязях, грунтах і морях. Так, насичений сірководнем шар води в Чорному морі є результатом життєдіяльності сульфатредукуючих бактерій. Діяльність цих бактерій у грунтах призводить до утворення соди і содового засолювання ґрунтів. Сульфатредукуючі бактерії переводять поживні речовини в грунтах рисових плантацій у форму, доступну для коренів цієї культури. Ці бактерії можуть спричинювати корозію металевих підземних і підводних споруд.

Бактеріальні препарати успішно використовують для боротьби з багатьма видами комах шкідників (кукурудзяним метеликом та ін.).

Багато видів бактерій використовують у різних галузях промисловості для добування ацетону, етилового й бутилового спиртів, оцтової кислоти, ферментів, гормонів, вітамінів, антибіотиків, білково-вітамінних препаратів тощо.

Завдяки успіхам генної інженерії нині з'явилась можливість широко використовувати кишкову паличку для вироблення інсуліну, інтерферону, а інші бактерії — для одержання кормового й харчового білків.

Без бактерій неможливі процеси дублення шкіри, сушіння листків тютюну, виготовлення шовку, каучуку, оброблення какао, кави, мочіння конопель, льону та інших лубоволокнистих рослин, квашення капусти, очищення води, вилужування металів тощо.

Важливу роль у природі і житті людини відіграють і ціанобактерії. Ціанобактерії є «творцями» сучасної кисневовмісної атмосфери на Землі. В даний час, будучи значної складової океанічного планктону, ціанобактерії знаходяться на початку більшої частини харчових ланцюгів і виробляють значну частина кисню.

Ціанобактерії є головною причиною, яка призводить до цвітіння води, що викликає масові замори риби й отруєння тварин і людей.

Ціанобактерії є найважливішими об'єктами досліджень у біології.

У Південній Америці і Китаї бактерії родів Спіруліна і Носток використовуються в їжу (їх висушують і готують борошно). Їм приписують цілющі й оздоровлюючі властивості. Розглядається можливість застосування ціанобактерій як масової кормової та харчової добавки.

Тема 2. Багатоклітинні організми

Тема: Особливості організації і життєдіяльності багатоклітинних організмів

1. Будова і функції багатоклітинних організмів.

Основними відмінностями одноклітинних і багатоклітинних ор­ганізмів єте, що кожен одноклітинний організм виконує всі життєві функції за допомогою органел чи інших клітинних структур, а кож­на з клітин багатоклітинних організмів пристосована до виконан­ня лише однієї чи кількох певних функцій у складі певних тканин, які, в свою чергу, утворюють органи.

У більшості багатоклітинних організмів клітини диференціюють­ся за особливостями будови та функцій, утворюючи різні типи тка­нин, яківходять до складу органів. Орган — це певна структура організму, яка складається з тканин різних типів (як правило, переважає одна із них), займає в організмі певне положення, характе­ризується певними особливостями будови та виконує конкретні функції.

Органи, що виконують спільні функції, утворюють в організмі тва­рин системи органів. Органи різних систем можуть тимчасово об'єднуватись для вико­нання певної функції, утворюючи функціональну систему ор­ганів

Листоквиконує функції фото­синтезу, газообміну та випаровування води.

Бруньки — це зачаткові пагони. Вегетативні брунькисклада­ються із зачаткового стебла з конусом наростання та зачаткових листочків. Генеративні -містять зачатки квіток або суцвіть.

Органи нестатевого розмноженнярослин і грибів називають спорангіями.Вони розміщені або поодиноко, або зібрані разом у складні структури (стробіли хвощів та плаунів, плодові тіла грибів).

Органи статевого розмноженнязабезпечують утворення та дозрівання статевих клітин, процеси запліднення, а у насінних рос­лин (голо- та покритонасінних) — ще й запилення. Жіночі статеві органи вищих спорових рослин (мохів, папоротей, хвощів, плау­нів) та голонасінних мають назву архегонії,а чоловічі — анте­ридії.У покритонасінних рослин органом насіннєвого розмножен­ня є квітка.

Травна система забезпечує надходження в організм поживних речовин, їхнє перероблення, всмоктування продуктів травлення та виведення з організму неперетравлених решток їжі. Травлення — сукупність процесів, що забезпечують механічне та хімічне (за участю травних ферментів) розщеплення їжі на компо­ненти, які можуть засвоюватись організмом та включатись в обмін речовин. Як правило, травлення починається в порожнині кишеч­нику (позаклітинне,або порожнинне травлення),а завершу­ється в клітинах його епітелію (внутрішньоклітинне травлен­ня).Ферменти, розміщені на поверхні епітеліальних клітин кишечнику, забезпечують мембранне, або пристінкове, трав­лення. Багато тварин вводять свої травні ферменти в тіло інших орга­нізмів або інші субстрати, а потім усмоктують перетравлені або напівперетравлені речовини в кишечник (позаорганізмове, або зовнішнє травлення).

Кровоносна система забезпечує транспорт та перерозподіл по­живних речовин, газів, біологічно активних сполук, виведення про­дуктів обміну, захисні реакції організму.

Кровоносна система складається із судин і центрального пуль­суючого органа — серця (в організмів, позбавлених серця, напри­клад кільчастих червів, ланцетників, його функції беруть на себе деякі судини, стінки яких мають добре розвинені м'язи). Кровонос­на система може бути замкненою та незамкненою.Якщо кров протікає тільки по системі судин і не потрапляє в порожнину тіла, така кровоносна система має назву замкненої (кільчасті чер­ви, більшість хордових тварин). Якщо ж судини відкриваються в порожнину тіла і частина кровообігу відбувається в проміжках між органами, кровоносна система називається незамкненою (членис­тоногі, молюски). При цьому кров змішується з порожнинною ріди­ною, утворюючи рідину подвійної природи - гемолімфу.

Дихальна система забезпечує газообмін між організмом і до­вкіллям. Органи дихання у мешканців водойм (ракоподібні, молюски, риби тощо) - це зябра -тонкостінні вирости, які омиваються водою. Умовою газообміну через зяб­ра є їхня зволоженість, тому на суходолі ці органи дихання функціонувати не можуть. У мешканців суходолу органи дихання, як правило, побудовані складніше. Вони мо­жуть бути представлені трахеями(комахи, павукоподібні, багатоніжки), легеневи­ми мішками(деякі павукоподібні), легенями (наземні хребетні тварини).

Органи виділення (екскреції)— це спеціалізовані утвори, різ­номанітні за будовою та функціями (система видільних канальців плоских червів, метанефридії кільчастих червів, нирки молюсків, зелені залози річкового рака, мальпігієві судини наземних чле­нистоногих, нирки хребетних тощо). Крім цих спеціалізованих ор­ганів, у виділенні продуктів обміну можуть брати участь й інші ут­вори (уссавців—потові та сальні залози, розташовані в шкірі, органи дихання, жирове тіло у комах).

Опорно-рухова система забезпечує зміну положення тіла тва­рин, рухи окремих органів та організму в цілому. У різних груп чер­вів опорно-рухова система представлена шкірно-м'язовим, міш­ком,та гідроскелетом (порожнинна або міжклітинна рідина, яка тисне на стінки тіла та підтримує його форму, а також може діяти як антагоніст м'язів, що згинають тіло). В інших тварин є твердий зовнішній (членистоногі) внутрішній (хордові) скелет,до пев­них елементів якого прикріплюються м'язи.

Статева система тварин представлена статевими залозами, які продукують статеві клітини, та протоками, через які вони виводять­ся. Статева система виконує функцію розмноження.

4. Регуляція життєвих функцій організмів тварин.

Регуляція життєвих функцій організмів здійснюється нер­вовою, ендокринною та імунною системами, які тісно взаємопов'язані.

Нервова система регулює життєві функції за допомогою ре­флексів.Вона дає змогу швидко сприймати зміни умов довкілля чи внутрішнього середовища організму і реагувати на них. Інфор­мація у вигляді нервових імпульсівпередається по певних шля­хах, які дістали назву рефлекторних дуг.По них нервові імпуль­си передаються від рецепторів чи органів чуттів до певних ділянок нервової системи, де відбуваються їх аналіз та від­повідна реакція, а від цих ділянок - до робочих ор­ганів. Нервові імпульси мають електричну природу, але в місцях контакту двох сусідніх нейронів (у синапсах)імпульси передаються хімічним шляхом за допомогою сполук-медіаторів.

Ендокринна системаздійснює гуморальну регуляцію. Ендокринні залози розвинені у більшості типів тварин. Вони не сполучаються просторово, їхня робота узгод­жується або завдяки нервовій регуляції, або ж гормони, що вироб­ляються одними залозами внутрішньої секреції, можуть впливати на роботу інших.

Особливе місце в регуляції функцій організму належить нейрогормонам—біологічно активним речовинам, що виробляються особ­ливими клітинами нервової тканини. Нейрогормони надходять у кров, міжклітинну або спинномозкову рідину і дистанційно впли­вають на роботу певних органів

У хребетних тварин існує тісний зв'язок між гіпоталамусом та гіпофізом, так звана гіпоталамо-гіпофізарна система.Він полягає в тому, що синтезовані клітинами гіпоталамуса нейрогор­мони надходять по кровоносних судинах у передню частку гіпофіза. Там нейрогормони стимулюють або гальмують секрецію певних гор­монів, які, у свою чергу, діють на інші залози внутрішньої секреції.

Важливу роль у забезпеченні життєдіяльності організму відіграє імунітет. Імунітет— це здатність організму до захисту власної цілісності, несприйнятливості збудників певних захворювань. У створенні імунітету беруть участь неспецифічні та специфічні механізми.

До неспецифічних механізмів імунітету належать бар'єрна функціяепітелію шкіри та слизових оболонок внутрішніх органів, бактерицидна діядеяких ферментів, кислот, а також клітини різних тканин, здатні зне­шкоджувати сторонні частинки та мікроорганізми.

Специфічні механізми імунітету забезпе­чуються наявністю імунної системи, яка розпізнає і знешкоджує чужорідні частинки і мікроорганізми, які сприймає як сторонні (ан­тигени). До складу імунної системи організму хребетних тваринвходять вилочкова залоза (тимус),червоний кіст­ковий мозок, селезінка, лімфатичні вузли тощо. Імунна система за­безпечує гуморальний (вироблення антитіл, які зв'язують певні антигени і таким чином їх знешкоджують) і клітинний (підвищен­ня концентрації певних груп лімфоцитів, здатних вибірково фагоцитувати певні антигени) імунітет.

Розмноження- це притаманна всім живим істотам властивість відтворення собі подібних, завдяки чому забезпечуються безперерв­ність і спадковість життя.