Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Биология с основами экологии

Покупка
Новинка
Артикул: 834625.01.99
Доступ онлайн
1 300 ₽
В корзину
В учебном пособии рассмотрены отдельные вопросы биологии клетки, размножения, эволюции и экологии организмов и их сообществ. Пособие предназначено для подготовки к занятиям по курсу биологии с основами экологии для студентов, обучающихся по специальности 36.05.01 Ветеринария. Пособие также может быть использовано и студентами других специальностей и направлений (36.03.01 Ветеринарно-санитарная экспертиза; 35.03.08 Водные биоресурсы и аквакультура; 06.03.01 Биология).
Амосов, П. Н. Биология с основами экологии : учебное пособие / П. Н. Амосов ; МСХ РФ, СПбГУВМ. - Санкт-Петербург : Изд-во СПбГУВМ, 2022. - 130 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2156948 (дата обращения: 24.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 

 

ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ 

И ОБРАЗОВАНИЯ 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  

УНИВЕРСИТЕТ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ 

 

 

 

 
 
 
 

 
 
 

Амосов П.Н. 

 
 

 
 

БИОЛОГИЯ  

С ОСНОВАМИ ЭКОЛОГИИ 

 
 

Учебное пособие   

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

Санкт-Петербург 

2022 
УДК 57(075.8) 

 

Автор: 

П.Н. Амосов – доцент кафедры биологии, экологии и гистологии 

СПбГУВМ, кандидат биологических наук 

 

Рецензент: 

Л.В. Морозова – профессор, проректор по образовательной деятельности 

Северного (Арктического) федерального университета  

им. М. В. Ломоносова, доктор биологических наук 

 

 

 
Амосов П.Н. Биология с основами экологии: учебное пособие /  

П.Н. Амосов ; МСХ РФ, СПбГУВМ. – Санкт-Петербург : Изд-во 
СПбГУВМ, 2022. – 130 с.   

 

 
 
В учебном пособии рассмотрены отдельные вопросы биологии клетки, 

размножения, эволюции и экологии организмов и их сообществ. Пособие 
предназначено для подготовки к занятиям по курсу биологии с основами 
экологии для студентов, обучающихся по специальности 36.05.01 Ветеринария. 
Пособие также может быть использовано и студентами других специальностей 
и направлений (36.03.01 Ветеринарно-санитарная экспертиза; 
35.03.08 Водные биоресурсы и аквакультура; 06.03.01 Биология). 

 
 
 
 

Рекомендовано для издания методическим советом  
ФГБОУ ВО СПбГУВМ Протокол № 9 от 07.11.22г. 

 
 
 
 
 
 
 
 

© ФГБОУ ВО  СПбГУВМ, 2022 

© Амосов П.Н. , 2022 
ВВЕДЕНИЕ 

 
Живые существа, населяющие Землю, представляют собой многоуров-

невую систему взаимосвязанных между собой структур, явлений и процессов. 
Благодаря отдельным организмам и их совокупностям, образующих 
единую целостную живую оболочку планеты, происходят процессы круговорота 
вещества и энергии. Живые организмы играют одну из основных 
ролей в формировании ландшафтно-географической среды планеты. 

Изучению жизни как уникального явления природы посвящена область 

научного знания – биология. Биология – комплексная наука, изучающая 
строение живых организмов, процессы, происходящие в живых системах 
разного уровня и обеспечивающие все функции живых организмов в этих 
системах. 

В биологии накоплено огромное количество знаний, раскрывающих 

многообразие и функционирование организмов. Но до сих пор эти знания о 
биологических системах остаются неполными. В последние десятилетия 
темпы накопления новых данных в области теоретической и практической 
биологии возрастают. Биология в последние десятилетия считается одной 
из быстро развивающихся наук. 

Настоящее учебное пособие рассматривает молекулярно-генетический, 

клеточный и надорганизменные уровни организации с учетом современных 
знаний. Курс биологии с основами экологии, как правило, начинает цикл 
теоретических предметов и позволяет студентам в дальнейшем лучше ориентироваться 
в практических вопросах ветеринарии и других вопросах 
прикладной биологии. 

Основная цель пособия – способствовать целостности восприятия био-

логических знаний на всех уровнях организации биологических систем. 
Такой подход позволяет воспринимать природу как систему взаимосвязанных 
структур и процессов, находящихся в постоянном развитии. 

В последующем, при изучении специальных биологических дисци-

плин, таких как цитология, эмбриология, гистология, генетика и селекция, 
биохимия, зоология и др., позволит студентам глубже воспринимать материал 
и представлять его место в системе биологических знаний. Обобщенный 
подход в биологии поможет на основе сравнительного анализа увидеть 
общие и особенные принципы организации видов и надвидовых групп. 
ГЛАВА 1. БИОЛОГИЯ КАК СИСТЕМА НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ. 

ЖИЗНЬ КАК ЯВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА. ИЕРАРХИЯ 

БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ 

 
Термин «биология» (bios – жизнь, logos – учение, наука), предло-

женный в начале XIX века Ж.-Б. Ламарком и Г. Тревиранусом, обозначает 
науку о жизни как особом природном явлении. За прошедшие два 
столетия биология прошла впечатляющий путь развития. Предмет ее 
изучения – жизнь как явление окружающего мира, включая проявления 
жизни на том или ином уровне организации или том или ином ее сегменте, 
то есть все живое на планете в его конкретном пространственно-
временном воплощении.  

Современная биология – комплексная наука. Каждая из биологиче-

ских дисциплин характеризуется собственным предметом исследования, 
используемыми методами научного анализа, идеями общего порядка, 
оформленных в виде гипотез и теорий, методологическими 
подходами. 

 Спектр биологических наук весьма широк. Так, все живые организмы 

объединены в группы (таксоны), представители которого различаются по 
степени родства, или же не состоят в близком родстве. Это направление 
рассматривает систематика организмов. Отдельные уровни организации 
живых систем изучают цитология, гистология, анатомия растений и животных, 
экология и др. 

Закономерности исторического развития жизни в виде ее отдельных 

форм или совокупностей изучают в рамках эволюционного направления 
(эволюционная теория). 

Во второй половине XX столетия сложились дисциплины, изучающие 

молекулярные механизмы потока биологической информации и энергетического 
обеспечения процесса жизнедеятельности – молекулярная биология 
и молекулярная генетика, биоинформатика, биоэнергетика. Оформилась 
биология клетки. Механизмы иммунологического надзора с функцией 
защиты целостности и биологической индивидуальности организма исследует 
иммунология. 

Решение практических вопросов в интересах промышленности, меди-

цины и сельского хозяйства оформилось в научно-практическое биотехнологическое 
направление – генную, клеточную и тканевую инженерию. 
Перспективными в настоящее время являются нанотехнологические исследования, 
изучающие биологические конструкции малой величины – в десятки 
или сотни нанометров (1 нм = 10-9 м). 

На рубеже 20 – 21 столетий изучены «тексты» генома человека, вклю-

чая митохондриальный ДНК. 

В настоящее время биология остаѐтся динамично развивающейся 

наукой, как в теоретическом, так и практическом направлениях. 
Жизнь – макромолекулярная открытая система, которой свойственны 

иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен 
веществ и регулируемый поток энергии. 

Свойства жизни 

Типичными свойствами жизни являются: 
1) Обмен веществ (метаболизм) – особый способ взаимодействия с 

окружающей средой, состоящий из анаболизма (ассимиляция, пластический 
обмен) и катаболизма (диссимиляция, энергетический обмен). По типу 
обмена веществ организмы подразделяются на автотрофные (фотоавтотрофы, 
хемоавтотрофы) и гетеротрофные (консументы и деструкторы); 

2) Упорядоченность составляющих обмена веществ достигается бла-

годаря структурированности (компартментации) объема клетки. Правило 
компартментации распространяется на оба типа клеточной организации – 
прокариотический и эукариотический. Организмы-прокариоты занимают 
доминирующее положение, обладающие высокой выживаемостью и расселением 
во всех экологических нишах, исключительной метаболической 
лабильностью; 

3) Живые объекты обладают способностью противостоять росту 

энтропии, поддерживая присущую им организацию. Энтропия, в соответствии 
со вторым законом термодинамики, в энергетически изолированных 
системах нарастает; энтропия – мера необратимого рассеивания энергии, 
величина, обратная упорядоченности; 

4) Связь живых объектов со средой обитания. В ходе прогрессивной 

эволюции внутренняя среда выводится из прямого влияния факторов 
внешней среды – сравните онтогенез низших позвоночных и индивидуальное 
развитие амниот – рептилий, птиц и млекопитающих. Свойство живых 
существ сохранять постоянство внутренней среды, независимо от изменений 
окружающей среды, соответствует понятию гомеостаза; 

5) Самовоспроизведение (размножение) и самообновление жизни. 

Благодаря этому свойству воспроизводятся организмы определенного типа 
структурно-функциональной организации. Это свойство обеспечивается 
посредством сохранения генетической (биологической) информации. При 
этом используются уникальные химические соединения – информационные 
макромолекулы (биополимеры) – нуклеиновые кислоты, белки и матричный 
синтез. Каждое живое существо имеет свой генотип (геном у прокариот) 
и фенотип; 

6) Дискретность (отграниченность) жизни. Жизнь представлена сово-

купностью пространственно отграниченных друг от друга и от окружающей 
среды форм – организмов;  

7) Реализация стартовой наследственной информации (генотипа) про-

исходит в ходе индивидуального развития (онтогенеза); 

8) Живые конструкции разного уровня (клетки, тканевые системы, ор-

ганизмы, популяции) обладают свойством изменять свое состояние в 
зависимости от колебаний параметров среды. Такие изменения носят приспособительный (
адаптивный) характер; 

9) Раздражимость (способность реагировать на воздействия) и возбу-

димость (способность переходить в рабочее состояние). Например, работа 
мышцы стимулируется нервным импульсом. Организм выполняет не только 
механическую, но и химическую, осмотическую, электрохимическую и 
регуляторную работу; 

10) Универсальным переносчиком энергии в организме является 

аденозинтрифосфат (АТФ); 

11) Организмы включены в процесс исторического развития 

(эволюции) и существуют во взаимодействии друг с другом в составе 
сообществ – экосистем, объединенных в живую оболочку планеты – 
биосферу. 

Происхождение жизни 

1. 
Гипотеза панспермии (С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернад-

ский, У. Томсон). Появление жизни на Земле, согласно этой гипотезе, объясняется 
проникновением «зародышей», постоянно «странствующих» в 
космическом пространстве. С. Аррениус расчетами подтвердил возможность 
межпланетного переноса живых организмов (бактериальных спор) 
под влиянием давления света. В.И. Вернадский в 20-е годы XX века на основании 
анализа структуры и геохимии осадочных пород пришел к выводу, 
что в истории Земли не существовало периода, когда осадочные породы 
были бы образованы исключительно абиогенным путем. Углерод органического 
происхождения отличается более высоким содержанием легкого 
изотопа 12С относительно тяжелого 13С и обнаружен в древнейших на Земле 
осадочных породах в Гренландии и имеет возраст 3,85 млрд лет. Следуя 
этому, можно предположить, что жизнь на Земле существовала всегда. Ее 
занос мог произойти на стадии газопылевого облака. 

Прямых свидетельств внеземного происхождения жизни не существу-

ет. Нет также надежных доказательств существования межзвездной жизни 
и ее повсеместного распространения во Вселенной. Метеоритное вещество 
богато органикой, но ее внеземное происхождение требует подтверждения. 
Во-первых, необходимо исключить возможность загрязнения метеоритов 
микроорганизмами после достижения ими земной поверхности. Во-вторых, 
органический материал метеоритов лишен свойства хиральности. На Земле 
аминокислоты белковых молекул представлены левовращающими оптическими 
изомерами, а молекулы нуклеиновых кислот содержат только правовращающие 
изомеры сахаров. Молекулы белков имеют спиральную конфигурацию 
и левовращающие аминокислоты позволяют им закручиваться 
только в одну сторону, а правовращающие рибоза и дезоксирибоза позволяют 
образовывать нуклеиновым кислотам двойную спираль. В-третьих, 
метеоритная органика не обнаруживает смещения доли в сторону легкого 
изотопа углерода 12С. 
Кроме того, гипотеза панспермии не решает проблемы места проис-

хождения жизни во Вселенной. 

2. 
Гипотеза абиогенеза. У ее истоков стоял Э. Геккель. Суть гипотезы 

– признание абиогенного (без участия живых существ) образования органических 
веществ из неорганических непосредственно на Земле. 

Еще в середине 19 века Л. Пастер доказал невозможность самоза-

рождения жизни в современных условиях. В 20-е годы XX столетия 
биохимики А. И. Опарин и Дж. Холдейн предположили, что в условиях, 
имевших место на нашей планете несколько миллиардов лет, образование 
живого вещества из неживого было возможным. Эти условия были 
следующими: восстановительная (бескислородная) атмосфера, большое 
количество воды и наличие разных источников энергии (ультрафиолетовое 
и космическое излучение, тепло земной коры, вулканическая деятельность, 
энергия радиоактивного распада элементов, атмосферные 
электрические явления), приемлемая температура (ниже 60° С), отсутствие 
живых существ. 

Этапы появления живых существ на Земле были следующими: 
1) образование атмосферы из газов (СН4, СО и СО2, NH3, H2S, циани-

ды) – сырья для синтеза органических соединений; 

2) абиогенное образование простых органических веществ, в том числе 

мономеров современных биополимеров (аминокислоты, азотистые основания, 
сахара, АТФ и другие мононуклеотиды); 

3) полимеризация мономеров в полимеры – белки (полипептиды) и 

нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) и др.; 

4) концентрация абиогенной органики в водной среде с образованием 

«первичного бульона»; 

5) обособление в «бульоне» предбиологических дискретных форм бо-

лее или менее сложного химического состава – протобионтов, проявляющих 
некоторые свойства живых форм (уплотненный поверхностный слой, 
имитирующий мембрану, рост за счет поступления веществ извне, «размножение» 
путем распада с сохранением особенностей химической организации, 
предбиологический отбор на стабильность и эффективность поступления 
органики из окружающей среды – прообраз обмена веществ); 

6) возникновение простейших форм с полной совокупностью 

свойств жизни – примитивных гетеротрофных клеток, питающихся органикой «
бульона»; 

7) биологическая эволюция возникающих существ. 
В результате работ доказано образование сложных органических со-

единений (полипептидов и полинуклеотидов) из неорганических веществ 
через стадию молекул-предшественников в имитируемых условиях ранней 
истории Земли. В качестве моделей пробионтов описаны коацерваты с гетерогенным 
химическим составом (с полипептидами и полинуклеотидами) 
и микросферы с однородным белковым содержимым. 
Но данная гипотеза не дает ответа на появление хиральной чистоты 

биополимеров. Получаемые в экспериментах биополимеры являются смесями 
лево- и правовращающих оптических изомеров. Среди полученных в 
лаборатории сахаров оптическая изомерия вообще не обнаруживается.  

Если бы первые организмы были только гетеротрофными и могли воз-

никать только в начальный этап существования Земли, то через некоторое 
время они бы уничтожили всех первых живых протобионтов. Поэтом, скорее 
всего, гетеротрофные и автотрофные (фотосинтезирующие) организмы 
могли возникнуть почти одновременно. Сравнение современных строматолитов 
цианобактериальных матов и ископаемых строматолитов докембрия 
доказывает данный факт. Скорее всего, жизнь на Земле изначально возникла 
как экосистема из продуцентов, консументов и редуцентов. В рамках 
гипотезы абиогенеза также не доказан переход к клеточной организации 
живых существ. 

3. 
Геохимическая гипотеза. В настоящее время наиболее правдопо-

добной является гипотеза происхождения жизни, исходящая из того, что 
жизнь формировалась как дополнение к существовавшим на планете геохимическим 
вещественно-энергетическим круговоротам. 

Эта гипотеза согласуется с положениями неравновесной термодинами-

ки И. Р. Пригожина1 (1947) и теории самоорганизующихся систем У. Эшби 
(1962). В открытых системах в сильно неравновесных условиях (например, 
земные геохимические круговороты при разнице температур космического 
пространства и вещества планеты) могут самопроизвольно образовываться 
упорядоченные структуры. Эти структуры получили название диссипативных 
в связи со свойством рассеивать пропускаемую через себя энергию. 
В таких системах диссипация [рассеивание и безвозвратная потеря 
системой энергии] выполняет не деструктивную, а созидательную роль со 
статусом самоорганизующихся. Отличием диссипативных самоорганизующихся 
систем, к которым принадлежат живые организмы, является их 
способность эволюционировать и сохранять состояние приспособленности 
и самих себя при изменении условий. Для этого они используют информацию 
об опыте самосохранения, приобретенную ранее. Также они создают 
новую информацию как предпосылку к самоизменению под предстоящий 
опыт. В процессе такого изменения происходит усложнение системы. 

 

1 Классическая неравновесная термодинамика основана на фундаментальном предположении 
о локальном равновесии (И. Р. Пригожин, 1947). Концепция локального равновесия заключается 
в том, что равновесные термодинамические соотношения справедливы для термодинамических 
переменных, определѐнных в элементарном объѐме, то есть рассматриваемая система 
может быть мысленно разделена в пространстве на множество элементарных ячеек, 
достаточно больших, чтобы рассматривать их как макроскопические системы, но в то же 
время достаточно малых для того, чтобы состояние каждой из них было близко 
к состоянию равновесия. Данное предположение справедливо для очень широкого класса физических 
систем, что и определяет успех классической формулировки неравновесной термодинамики. 

Для достижения этих результатов (самосохранения) необходимо вы-

полнение ряда требований. Так должен действовать автокаталитический 
механизм самовоспроизведения диссипативной структуры. Им может быть 
матричный синтез (образование ДНК, РНК и полипептидов в клетке). Для 
сохранения структуры в перспективе необходим постоянно действующий 
механизм пополнения и обновления информации. Новая информация появляется, 
если самовоспроизведение системы происходит на фоне «информационного 
шума» (мутаций) с участием механизма естественного отбора. 
Отбор называется естественным, если материалом для него служит набор 
случайных по информационному содержанию вариантов (неопределенная 
генетическая изменчивость). Эффект прогресса возникает, если отбирается 
и сохраняется информация, способствующая интенсификации функции 
диссипации (адаптации общего значения, обеспечивающие приспособленность 
к широкому кругу условий). Описываемые события вполне соответствуют 
тому, что происходит в эволюционирующем мире жизни на Земле. 

Отбираемые самовоспроизводящиеся структуры, способные усложнять 

структуру, известны и в химии (вне биологии). Это (авто)каталитические 
гиперциклы (М. Эйген). 

Сторонники этой гипотезы появление жизни связывают с существо-

вавшими в ранней истории Земли геохимическими вещественно-
энергетическими круговоротами. В движение их приводил температурный 
градиент между более теплой планетой и холодным космосом. 
Затем к геохимическим циклам добавились биогеохимические и произошла 
интенсификация движения химических элементов и стабилизация 
структуры круговоротов. Это происходило за счет использования 
постоянного внешнего источника энергии – Солнца и возможности создать 
в световую фазу резерв энергии и ее расходования в темновую 
фазу, а также при повышении замкнутости циклов. Борьба за энергию 
составляла основу конкурентных отношений между гиперциклами. Это 
привело к коэволюции (согласованной эволюции) различающихся по 
исходным параметрам гиперциклов. Результатом этого стала иерархия 
структур и принцип экосистемы. 

Усложнение самоорганизующихся систем характеризуется важным 

следствием. При достижении критического уровня структура становится 
самоподдерживающейся. На Земле этому критическому уровню соответствовал 
тип организации, называемый клеткой. 

Геохимическая гипотеза все же оставляет без внимания события, про-

исходившие на стадии абиогенного образования ключевых органических 
молекул и специфических биополимеров. Так, остается проблемой как было 
преодолено противоречие между необходимостью иметь одновременно 
фермент полимеразу, управляющую образованием информационной макромолекулы (
ДНК или РНК), и саму эту молекулу, кодирующую структуру 
названного фермента. 
Гиперциклы на основе углеродсодержащих высокомолекулярных со-

единений (нуклеиновая кислота – полипептид), матричный синтез и естественный 
отбор среди самовоспроизводящихся с «информационным шумом» (
мутации) структур как геохимическая сила возникла с первыми водоемами – 
4,0 – 3,8 млрд. лет назад. Переход от геохимических к биохимическим 
круговоротам датируется 3,1 млрд. лет назад. В раннем кембрии 
(541 - 485 млн. лет назад) уже обнаруживаются ископаемые представители 
почти всех типов животного мира, включая хордовых. 

 

Иерархия биологических систем 

Мир представляет собой систему, которой свойственна иерархическая 

(соподчиненная) организация. Под системой понимают единство, составленное 
из значительного числа элементов, которые находятся в закономерных 
отношениях и связях друг с другом. Иерархической называется система, 
элементы которой расположены от высшего к низшему. 

Классификация уровней организации жизни как особого природного 

явления, в основу которой положена идея об объединяющей роли эволюционного 
процесса, выглядит следующим образом (табл. 1.1). 

В этой классификации обозначены молекулярно-генетический, клеточ-

ный, организменный (онтогенетический), популяционно-видовой, биогео-
ценотический (экосистемный) уровни. 

Таблица 1.1. Уровни организации и изучения живых систем 

Размеры 
объекта
Объект изучения
Уровень организации 
(по объекту изучения)

Уровень организации 
(по методу изучения)

-
Биосфера
Биосферный
Экологический

-
Экосистема
Экосистемный
Экологический

-
Популяция, вид
Популяционно-видовой
Экологический

0,1 мм (100 
мкм) и более
Организм, органы
Организменный, орган-

ный
Анатомический

100 – 10 мкм
Ткани
Тканевой
Гистологический 
(светооптический)

20 – 0,2 мкм 
(200 нм)

Клетки эукариотические 

и прокариотические
Клеточный
Цитологический

200 – 10 нм
Клеточные компоненты
Клеточные органоиды

Ультраструктур

(электронно-

микрскопический)

10 – 1 нм
Биополимеры
Макромолекулярный
Физико-химический

Прим.: 1 м = 103 мм; 1 мм = 103 мкм; 1 мкм = 103 нм; 1 м = 109 нм 
 
Вопросы для самоконтроля 
1. Что изучает биология? 
2. Объясните существующую систему биологических наук. 
3. Приведите основные свойства жизни. 
4. Объясните суть различных гипотез происхождения жизни на Земле. 
5. Перечислите основные уровни организации жизни и укажите их эле-

ментарные единицы. 
 
Доступ онлайн
1 300 ₽
В корзину