Интенсивный курс подготовки к ЕГЭ по биологии

1. Биология как наука. Клетка: химический состав, строение и метаболизм

Введение в курс: Биология как наука. Клетка

Добро пожаловать на интенсивный курс подготовки к ЕГЭ по биологии! Мы начинаем наше путешествие с фундаментальных основ. Чтобы успешно сдать экзамен, недостаточно просто заучить термины — нужно понимать логику живого. Сегодня мы разберем, что такое биология как наука, и погрузимся в самый важный раздел — цитологию (науку о клетке).

Биология как наука

Биология — это система наук, изучающая живую природу. На ЕГЭ часто встречаются вопросы о методах биологии и уровнях организации живой материи. Это база, без которой невозможно решать задания первой и второй части.

Уровни организации живой материи

Живая природа иерархична. Мы можем рассматривать жизнь от самой маленькой молекулы до всей планеты в целом. Выделяют следующие основные уровни:

Молекулярный. Самый низкий уровень. Здесь происходят биохимические реакции, передача наследственной информации (ДНК, РНК), обмен веществ. Пример: репликация ДНК, синтез белка.

Клеточный. Клетка — это структурно-функциональная единица всего живого. На этом уровне изучаются органоиды и процессы деления. Пример: амеба, эритроцит, деление клетки.

Тканевый. Совокупность клеток, сходных по строению и функциям. Пример: мышечная ткань, эпителий.

Органный. Ткани объединяются в органы. Пример: сердце, лист растения, почка.

Организменный. Целостный организм (одноклеточный или многоклеточный). Пример: человек, сосна, бактерия.

Популяционно-видовой. Группа особей одного вида, обитающих на одной территории. Здесь действуют законы эволюции. Пример: стая волков, популяция одуванчиков на поле.

Биогеоценотический (Экосистемный). Взаимодействие живых организмов друг с другом и с окружающей средой. Пример: лес, озеро, луг.

Биосферный. Высший уровень, оболочка Земли, населенная живыми организмами. Пример: круговорот веществ в природе.

Клеточная теория

Современная биология базируется на клеточной теории. Ее основы заложили Теодор Шванн и Маттиас Шлейден, а дополнил Рудольф Вирхов. Основные положения, которые нужно знать наизусть:

* Клетка — элементарная единица живого. * Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу. * Новые клетки образуются только путем деления материнской клетки. * Клетки в многоклеточных организмах специализированы и образуют ткани.

Химический состав клетки

Клетка — это миниатюрная химическая лаборатория. Все вещества в ней делятся на неорганические и органические.

Неорганические вещества

Самое важное неорганическое вещество — вода. Она составляет 70-80% массы клетки. Уникальные свойства воды объясняются строением ее молекулы — это диполь (имеет положительный и отрицательный заряд на полюсах).

Функции воды: * Универсальный растворитель. * Среда для протекания реакций. * Терморегуляция (высокая теплоемкость). * Транспорт веществ.

Минеральные соли находятся в клетке в виде ионов (катионов и анионов) или твердых нерастворимых осадков (кости, раковины). Они обеспечивают буферность (постоянство pH) и возбудимость клетки.

Органические вещества

К ним относятся белки, липиды (жиры), углеводы и нуклеиновые кислоты. Большинство из них — биополимеры, состоящие из повторяющихся звеньев — мономеров.

#### 1. Белки Мономеры белков — аминокислоты. Всего существует 20 стандартных аминокислот. Белки имеют четыре уровня организации:

* Первичная структура: цепочка аминокислот. * Вторичная: спираль или складка. * Третичная: глобула (клубок). * Четвертичная: комплекс из нескольких глобул (например, гемоглобин).

Функции белков разнообразны: строительная, каталитическая (ферменты), транспортная, защитная (антитела), двигательная (актин и миозин).

#### 2. Углеводы Делятся на: * Моносахариды: глюкоза, рибоза, дезоксирибоза. * Дисахариды: сахароза, лактоза. * Полисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин.

Главная функция углеводов — энергетическая. Также они выполняют запасающую (крахмал у растений, гликоген у животных) и структурную (целлюлоза в клеточной стенке растений) функции.

#### 3. Липиды (Жиры) Не являются полимерами. Гидрофобны (не растворяются в воде). Главные функции: энергетическая (дают больше всего энергии при расщеплении) и строительная (фосфолипиды образуют мембраны клеток).

#### 4. Нуклеиновые кислоты Хранители генетической информации. Мономеры — нуклеотиды.

* ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота): Двойная спираль. Хранит наследственную информацию. Состоит из нуклеотидов: Аденин (А), Тимин (Т), Гуанин (Г), Цитозин (Ц). * РНК (Рибонуклеиновая кислота): Обычно одна цепь. Участвует в синтезе белка. Вместо Тимина содержит Урацил (У).

Строение клетки

Все клеточные организмы делятся на прокариот (безъядерные, например, бактерии) и эукариот (ядерные: растения, животные, грибы).

!Схема строения животной и растительной клеток, показывающая ключевые различия: клеточную стенку, хлоропласты и вакуоли.

Основные компоненты эукариотической клетки

Плазматическая мембрана. Состоит из двойного слоя липидов (бислой) и встроенных белков. Обладает избирательной проницаемостью.

Цитоплазма. Внутренняя полужидкая среда клетки, объединяющая все органоиды.

Ядро. Содержит ДНК (хромосомы). Центр управления клеткой.

Органоиды клетки

Органоиды делятся на три группы:

Метаболизм (Обмен веществ)

Метаболизм — это совокупность всех химических реакций в организме. Он состоит из двух противоположных процессов:

Пластический обмен (Анаболизм, Ассимиляция). Синтез сложных веществ из простых с затратой энергии. Пример: фотосинтез, биосинтез белка.

Энергетический обмен (Катаболизм, Диссимиляция). Распад сложных веществ до простых с выделением энергии. Пример: дыхание, брожение.

Энергия в клетке: АТФ

Универсальным источником энергии служит молекула АТФ (аденозинтрифосфат). Энергия запасается в макроэргических связях между остатками фосфорной кислоты.

Уравнение гидролиза АТФ:

где — аденозинтрифосфат, — вода, — аденозиндифосфат, — фосфорная кислота, — выделяющаяся энергия (около 40 кДж/моль).

Фотосинтез

Важнейший процесс пластического обмена, происходящий в хлоропластах растений. Это преобразование энергии света в энергию химических связей органических веществ.

Суммарное уравнение фотосинтеза:

где — углекислый газ, — вода, — энергия света (квант света), — глюкоза (органическое вещество), — кислород (побочный продукт).

Энергетический обмен

У аэробных организмов (использующих кислород) он проходит в три этапа:

Подготовительный. В лизосомах или ЖКТ. Сложные вещества распадаются до мономеров. Энергия рассеивается в виде тепла.

Бескислородный (Гликолиз). В цитоплазме. Глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты (ПВК). Синтезируется 2 молекулы АТФ.

Кислородный (Клеточное дыхание). В митохондриях. ПВК окисляется до углекислого газа и воды. Синтезируется 36 молекул АТФ.

> Важно запомнить: Полное окисление одной молекулы глюкозы дает суммарно 38 молекул АТФ (2 от гликолиза + 36 от дыхания).

Заключение

Мы разобрали огромный пласт информации: от уровней организации жизни до сложнейших биохимических процессов. Понимание строения клетки и метаболизма — это ключ к решению задач по ботанике, зоологии и анатомии, так как все живое состоит из клеток. В следующей статье мы перейдем к изучению размножения организмов и онтогенеза.

Теперь переходите к выполнению домашнего задания, чтобы закрепить материал!

2. Многообразие организмов: царства Бактерии, Грибы, Растения и Животные

Многообразие организмов: царства Бактерии, Грибы, Растения и Животные

В предыдущей статье мы подробно разобрали строение клетки — фундаментальной единицы всего живого. Мы узнали, что жизнь едина по своему химическому составу и клеточному строению. Однако, оглянувшись вокруг, мы видим поразительное разнообразие форм: от невидимых глазу бактерий до гигантских синих китов и секвой.

Сегодня мы займемся систематикой — наукой, которая наводит порядок в этом многообразии, классифицируя организмы по группам на основе их родства и сходства. Для ЕГЭ крайне важно понимать ключевые отличия между четырьмя основными царствами живой природы и особой группой — вирусами.

Империя Неклеточные: Вирусы

Прежде чем говорить о клеточных организмах, нужно упомянуть тех, кто стоит на границе живого и неживого. Вирусы — это внутриклеточные паразиты, не имеющие собственного обмена веществ.

Строение вируса

Вирусы устроены предельно просто. В их составе нет органоидов, цитоплазмы или мембран (за исключением сложных вирусов, которые могут захватывать часть мембраны хозяина).

Основные компоненты:

Генетический материал. Это может быть ДНК или РНК (никогда обе сразу).

Капсид. Белковая оболочка, защищающая генетический материал.

!Сравнение строения бактериофага и сложного вируса.

Жизненный цикл

Вирусы проявляют свойства живого только попав внутрь клетки-хозяина. Они встраивают свою генетическую информацию в аппарат клетки и заставляют её производить новые вирусные частицы.

> Важно для ЕГЭ: Вирусы были открыты русским ученым Дмитрием Ивановским в 1892 году на примере вируса табачной мозаики.

Особая группа вирусов — бактериофаги. Это вирусы, поражающие бактерии. Их используют в медицине как альтернативу антибиотикам.

---

Империя Клеточные

Все остальные организмы имеют клеточное строение. Они делятся на два надцарства:

Прокариоты (Доядерные) — не имеют оформленного ядра.

Эукариоты (Ядерные) — имеют ядро, окруженное мембраной.

Царство Бактерии (Прокариоты)

Бактерии — самые древние организмы на Земле. Они освоили все среды обитания: воду, почву, воздух и другие организмы.

#### Особенности строения бактериальной клетки Главное отличие бактерий — отсутствие мембранных органоидов (митохондрий, пластид, ЭПС, комплекса Гольджи, лизосом). Их функции выполняют впячивания плазматической мембраны (мезосомы).

* Генетический аппарат: Представлен нуклеоидом — кольцевой молекулой ДНК, лежащей прямо в цитоплазме. Также могут быть плазмиды — малые кольца ДНК, несущие дополнительные гены (например, устойчивости к антибиотикам). * Клеточная стенка: Прочная, состоит из сложного углевода — муреина. * Рибосомы: Мелкие (70S), отвечают за синтез белка. * Жгутики: Служат для передвижения (у некоторых видов).

#### Жизнедеятельность * Размножение: Простое деление клетки надвое (бинарное деление). Половой процесс отсутствует, но есть обмен генетической информацией (конъюгация). * Спорообразование: Бактерии образуют споры не для размножения, а для перенесения неблагоприятных условий. В виде споры бактерия может существовать сотни лет, выдерживая кипячение и радиацию.

---

Царство Грибы

Грибы — это эукариоты, которые долгое время вызывали споры у ученых, так как сочетают признаки и растений, и животных.

#### Признаки, сближающие грибы с растениями:

Неограниченный рост в течение всей жизни.

Неподвижность (прикрепленный образ жизни).

Наличие клеточной стенки.

Размножение спорами.

#### Признаки, сближающие грибы с животными:

Гетеротрофный тип питания. Грибы не способны к фотосинтезу, они питаются готовой органикой.

Клеточная стенка содержит хитин (как у насекомых).

Запасное питательное вещество — гликоген.

Продукт обмена веществ — мочевина.

#### Строение Тело гриба называется грибница или мицелий. Оно состоит из тонких ветвящихся нитей — гиф. Плодовое тело (то, что мы обычно называем грибом в лесу) — это лишь часть мицелия, предназначенная для размножения.

> Лишайники — это не отдельное царство, а симбиотическая ассоциация гриба и водоросли (или цианобактерии). Гриб поставляет воду и соли, а водоросль — органические вещества.

---

Царство Растения

Растения — это эукариотические организмы, главная роль которых в биосфере — создание органических веществ из неорганических.

#### Ключевые особенности:

Автотрофное питание (Фотосинтез). Благодаря наличию пигмента хлорофилла в хлоропластах, растения используют энергию света.

Клеточная стенка из целлюлозы (клетчатки). Она придает клетке жесткую форму.

Вакуоли. В зрелых растительных клетках есть крупные центральные вакуоли с клеточным соком, которые поддерживают тургор (внутреннее давление).

Запасное вещество — крахмал.

Неограниченный рост.

Растения делятся на Низшие (водоросли, у которых нет тканей и органов) и Высшие (мхи, папоротники, голосеменные и покрытосеменные, имеющие ткани и органы).

---

Царство Животные

Животные — самая высокоорганизованная группа организмов, к которой относится и человек.

#### Ключевые особенности:

Гетеротрофное питание. Животные питаются готовой органикой. Большинство из них поглощает пищу твердыми кусками (голозойный способ), что требует наличия пищеварительной системы.

Отсутствие клеточной стенки. Клетки животных покрыты только плазматической мембраной, поверх которой находится тонкий слой углеводов — гликокаликс. Это позволяет клеткам менять форму (например, мышечное сокращение или фагоцитоз у лейкоцитов).

Запасное вещество — гликоген.

Активное передвижение. Большинство животных способны перемещаться в пространстве для поиска пищи или партнера.

Ограниченный рост. Животные растут только до определенного возраста.

Системы органов. Только у животных есть нервная и мышечная системы, обеспечивающие рефлексы.

!Визуальное сравнение строения клеток разных царств.

---

Сравнительная характеристика (Шпаргалка для ЕГЭ)

Это самая важная часть статьи. Вопросы на сравнение царств встречаются в каждом варианте ЕГЭ.

Заключение

Мы рассмотрели четыре царства живой природы. Понимание их фундаментальных различий — это база для решения заданий по ботанике, зоологии и общей биологии.

Запомните главную логику: * Бактерии — простота, нет ядра, муреин. * Растения — свет, фотосинтез, целлюлоза, крахмал. * Грибы — хитин, гликоген, мицелий (смесь признаков). * Животные — движение, нет стенки, гликоген.

В следующих статьях мы начнем углубленное погружение в каждое из царств, начиная с ботаники. А сейчас — время закрепить материал на практике!

3. Человек и его здоровье: анатомия, физиология и гигиена

Человек и его здоровье: анатомия, физиология и гигиена

Мы продолжаем наш интенсивный курс. В прошлых статьях мы изучили строение клетки и многообразие органического мира, от бактерий до млекопитающих. Теперь мы переходим к самому сложному и важному разделу ЕГЭ — Биологии человека.

Человек — это представитель царства Животные, типа Хордовые, класса Млекопитающие, отряда Приматы. Однако, помимо биологической природы, человек обладает социальной сущностью. В этом разделе мы сосредоточимся на анатомии (строение), физиологии (функции) и гигиене (сохранение здоровья).

Ткани организма человека

Организм человека построен из клеток, которые объединяются в ткани. Ткань — это группа клеток и межклеточного вещества, сходных по строению, происхождению и выполняемым функциям. Выделяют 4 основных типа тканей:

Эпителиальная ткань. Клетки плотно прилегают друг к другу, межклеточного вещества почти нет.

Функции*: защита (эпидермис кожи), всасывание (кишечный эпителий), секреция (железы).

Соединительная ткань. Особенность — много межклеточного вещества. Самая разнообразная группа.

Виды*: костная, хрящевая, жировая, кровь, лимфа, собственно соединительная (дерма, связки). Функции*: опора, питание, транспорт, защита (иммунитет).

Мышечная ткань. Обладает свойствами возбудимости и сократимости.

Гладкая*: стенки внутренних органов и сосудов. Сокращается медленно, непроизвольно (не подчиняется воле). Поперечно-полосатая скелетная*: скелетные мышцы. Сокращается быстро, произвольно. Поперечно-полосатая сердечная*: образует миокард сердца. Клетки соединены контактами (нексусами), сокращается непроизвольно, обладает автоматией.

Нервная ткань. Состоит из нейронов (основные клетки) и нейроглии (клетки-спутники). Обладает свойствами возбудимости и проводимости.

Нейрогуморальная регуляция

Организм работает как единое целое благодаря двум системам регуляции:

* Нервная регуляция: осуществляется с помощью нервных импульсов. Действует быстро, адресно (точно к органу), но кратковременно. * Гуморальная регуляция: осуществляется с помощью химических веществ (гормонов), переносимых кровью. Действует медленно, на весь организм, но продолжительно.

Нервная система

Структурная единица — нейрон. Он состоит из тела, коротких отростков (дендритов, принимают сигнал) и длинного отростка (аксона, передает сигнал).

Основа деятельности нервной системы — рефлекс (ответная реакция организма на раздражение). Путь, по которому проходит нервный импульс, называется рефлекторной дугой. Она состоит из 5 звеньев:

Рецептор.

Чувствительный путь (нейрон).

Нервный центр (в ЦНС).

Двигательный путь (нейрон).

Рабочий орган (эффектор).

Нервная система делится на: * Соматическую: управляет скелетными мышцами (подчиняется воле). Вегетативную (автономную): управляет внутренними органами (не подчиняется воле). Делится на симпатическую (стресс, «бей или беги») и парасимпатическую* (покой, «ещь и спи»).

Эндокринная система

Железы внутренней секреции выделяют гормоны прямо в кровь (у них нет выводных протоков).

* Гипофиз: «дирижер» эндокринной системы. Выделяет гормон роста (соматотропин). * Щитовидная железа: выделяет тироксин (содержит йод). Регулирует обмен веществ. * Надпочечники: выделяют адреналин (гормон стресса) и кортизол. * Поджелудочная железа: железа смешанной секреции. Выделяет инсулин (понижает сахар в крови) и глюкагон (повышает сахар).

Опорно-двигательная система

Состоит из скелета (пассивная часть) и мышц (активная часть).

Скелет

Кости состоят из органических веществ (белок оссеин — упругость) и неорганических (соли кальция и фосфора — твердость).

Скелет человека имеет особенности, связанные с прямохождением и трудовой деятельностью: * S-образный изгиб позвоночника (амортизация). * Сводчатая стопа. * Расширенная грудная клетка и таз. * Противопоставленный большой палец руки.

Внутренняя среда организма

Включает кровь, лимфу и тканевую жидкость.

Кровь состоит из плазмы (жидкая часть) и форменных элементов:

Эритроциты: красные кровяные тельца. Не имеют ядра (у зрелых), имеют форму двояковогнутого диска. Содержат белок гемоглобин. Функция: транспорт кислорода и углекислого газа.

Лейкоциты: белые кровяные тельца. Имеют ядро. Функция: иммунитет (фагоцитоз и выработка антител).

Тромбоциты: кровяные пластинки. Функция: свертывание крови.

Иммунитет бывает: Естественный врожденный*: передается от матери. Естественный приобретенный*: после болезни. Искусственный активный*: после вакцины (вводят убитых возбудителей, организм сам вырабатывает антитела). Искусственный пассивный*: после введения лечебной сыворотки (готовых антител).

Кровеносная система

Сердце человека четырехкамерное: два предсердия и два желудочка. Правая половина сердца содержит венозную кровь, левая — артериальную. Смешивания крови не происходит.

!Схема строения сердца и направления токов крови.

Важным показателем работы сердца является минутный объем крови (МОК). Его можно рассчитать по формуле:

где — минутный объем крови (количество крови, выбрасываемое сердцем за минуту), — систолический (ударный) объем (количество крови за одно сокращение), — частота сердечных сокращений (пульс).

Круги кровообращения:

Большой круг: Левый желудочек Аорта Органы Полые вены Правое предсердие. (Снабжает органы кислородом).

Малый круг: Правый желудочек Легочный ствол Легкие Легочные вены Левое предсердие. (Насыщает кровь кислородом).

Дыхательная система

Состоит из воздухоносных путей (нос, гортань, трахея, бронхи) и легких. В легких находятся мельчайшие пузырьки — альвеолы, оплетенные капиллярами. Именно здесь происходит газообмен путем диффузии.

Механизм вдоха:

Межреберные мышцы и диафрагма сокращаются.

Объем грудной клетки увеличивается.

Давление в легких падает ниже атмосферного.

Воздух засасывается внутрь.

Пищеварительная система

Пищеварение — это механическая и химическая обработка пищи. Химическое расщепление происходит под действием ферментов.

Ротовая полость: Среда слабощелочная. Фермент амилаза расщепляет углеводы.

Желудок: Среда кислая (соляная кислота). Фермент пепсин расщепляет белки.

Тонкий кишечник: Среда слабощелочная. Сюда открываются протоки печени (желчь эмульгирует жиры) и поджелудочной железы. Здесь завершается переваривание всех веществ и происходит всасывание в кровь (аминокислоты, глюкоза) и лимфу (жиры).

Толстый кишечник: Всасывание воды, формирование каловых масс, симбиоз с бактериями (синтез витаминов группы B и K).

Витамины

Биологически активные вещества, необходимые в малых дозах. * Витамин A: зрение, рост. Недостаток — «куриная слепота». * Витамин B: нервная система. Недостаток — бери-бери, судороги. * Витамин C: иммунитет, сосуды. Недостаток — цинга. * Витамин D: обмен кальция (кости). Недостаток — рахит.

Выделительная система

Главный орган — почки. Структурная единица почки — нефрон. Образование мочи идет в два этапа:

Фильтрация: в капсуле нефрона кровь фильтруется под давлением. Образуется первичная моча (по составу как плазма без белков).

Реабсорбция (обратное всасывание): в канальцах нефрона нужные вещества (вода, глюкоза, витамины) возвращаются в кровь. Образуется вторичная моча (вода, мочевина, соли), которая выводится наружу.

Анализаторы (Органы чувств)

Любой анализатор состоит из трех частей: рецептор проводящий путь зона коры больших полушарий.

Зрительный анализатор: * Глазное яблоко имеет оптическую систему (роговица, хрусталик, стекловидное тело) и рецепторную часть (сетчатка). * На сетчатке есть палочки (сумеречное зрение) и колбочки (цветное зрение). * Изображение на сетчатке: действительное, уменьшенное, перевернутое.

Первая помощь (Гигиена)

Знание основ первой помощи обязательно для ЕГЭ.

* Артериальное кровотечение: кровь алая, бьет фонтаном. Жгут накладывают выше раны. Обязательно записка со временем. * Венозное кровотечение: кровь темная, течет струей. Давящая повязка на рану. * Переломы: фиксация конечности (шина) с захватом двух соседних суставов.

Заключение

Мы кратко, но емко разобрали основные системы органов человека. Понимание взаимосвязи строения и функции — ключ к успеху на экзамене. Например, тонкий кишечник имеет ворсинки (строение) для увеличения площади всасывания (функция).

В следующей статье мы перейдем к глобальным темам: Эволюции живой природы и Экологии.

4. Надорганизменные системы: эволюция живой природы и основы экологии

Надорганизменные системы: эволюция живой природы и основы экологии

Поздравляю! Вы прошли огромный путь: от молекул и органоидов клетки до анатомии человека. Теперь мы поднимаемся на самый высокий уровень организации жизни. Мы перестаем смотреть на организм как на изолированную единицу и начинаем рассматривать группы организмов и их взаимодействие с окружающей средой.

Эта статья посвящена двум глобальным разделам биологии: Эволюционному учению (как жизнь изменяется во времени) и Экологии (как жизнь взаимодействует в пространстве). В ЕГЭ эти темы составляют значительную часть вопросов второй части (задания 23-26), где требуется развернутое биологическое мышление.

Эволюционное учение

Эволюция — это необратимый процесс исторического развития живой природы. Понимание эволюции — это понимание того, откуда взялось все то разнообразие, которое мы изучали в разделе ботаники и зоологии.

Развитие эволюционных идей

Первую целостную теорию эволюции создал Жан-Батист Ламарк. Его заслуга в том, что он первым заявил: виды изменяются. Однако механизмы он объяснял неверно:

Внутреннее стремление организмов к совершенству.

Наследование благоприобретенных признаков (если жираф тянет шею, она удлиняется, и это передается детям).

Истинный переворот совершил Чарльз Дарвин. В своем труде «Происхождение видов» (1859) он выделил реальные факторы эволюции: * Наследственная изменчивость. * Борьба за существование. * Естественный отбор.

Синтетическая теория эволюции (СТЭ)

Современная биология объединила дарвинизм с генетикой. Элементарной единицей эволюции считается не отдельная особь, а популяция (группа особей одного вида, длительно живущая на одной территории).

#### Движущие силы эволюции

Наследственная изменчивость (Мутационная и Комбинативная). Поставляет материал для эволюции. Случайные мутации создают новые признаки.

Популяционные волны. Резкие колебания численности особей (например, из-за пожара или мора). Это может случайно изменить частоту генов в популяции (дрейф генов).

Изоляция. Преграда для скрещивания. Бывает географическая (горы, проливы) и экологическая (разные сроки цветения, разные места питания).

Борьба за существование. Отношения между организмами и средой. Самая острая — внутривидовая (за еду, самку, территорию).

Естественный отбор. Главный направляющий фактор. Выживание и размножение наиболее приспособленных особей.

!Графическое изображение форм естественного отбора

Результаты эволюции

Главный результат эволюции — приспособленность (адаптация) организмов к среде обитания.

> Важно для ЕГЭ: Любая приспособленность носит относительный характер. Белая окраска зайца спасает зимой на снегу, но делает его заметным на фоне темных стволов деревьев или в бесснежную зиму.

Второй результат — видообразование (появление новых видов).

Макроэволюция и ее доказательства

Макроэволюция — это процессы, происходящие над уровнем вида (образование родов, семейств, классов). Наблюдать ее в реальном времени невозможно, поэтому мы используем доказательства.

Самая частая ловушка в ЕГЭ — Сравнительно-анатомические доказательства.

Также важно знать: * Рудименты: органы, утратившие значение, но встречающиеся у всех особей (аппендикс, третье веко, копчик). * Атавизмы: признаки предков, появляющиеся у отдельных особей как отклонение (многососковость, хвостатость, густая шерсть на лице).

Основы экологии

Экология — наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой.

Экологические факторы

Все, что влияет на организм, называется экологическим фактором. Они делятся на три группы:

Абиотические: факторы неживой природы (свет, температура, влажность, соленость воды).

Биотические: влияние живых организмов друг на друга (хищничество, паразитизм, симбиоз, конкуренция).

Антропогенные: влияние деятельности человека (вырубка лесов, загрязнение, создание заповедников).

Каждый организм может жить только в определенном диапазоне значений фактора (закон толерантности). Фактор, значение которого выходит за пределы выносливости или находится в минимуме, называется ограничивающим (лимитирующим).

Экосистема (Биогеоценоз)

Это совокупность живых организмов и среды их обитания, связанных обменом веществ и энергии. В любой экосистеме есть три функциональные группы организмов:

Продуценты (Производители). Создают органику из неорганики. Это растения и цианобактерии (фотосинтетики), а также хемосинтезирующие бактерии.

Консументы (Потребители). Потребляют готовую органику.

* I порядка: травоядные. * II порядка: хищники, поедающие травоядных.

Редуценты (Разлагатели). Разрушают мертвую органику до неорганики, возвращая вещества в круговорот. Это бактерии гниения и плесневые грибы.

Цепи питания и правило экологической пирамиды

Энергия передается от продуцентов к консументам по цепям питания. Пример пастбищной цепи: Трава Кузнечик Лягушка Змея Орел.

При переходе с одного трофического уровня на другой теряется большая часть энергии (уходит на дыхание, движение, тепло). Действует правило 10% (правило Линдемана):

где — энергия (или биомасса), перешедшая на следующий уровень, — энергия (или биомасса) на предыдущем уровне, — коэффициент перехода (10%), — знак приблизительного равенства.

Это значит, что если у нас есть 1000 кг травы, то на этой биомассе сможет вырасти только 100 кг травоядных, и лишь 10 кг хищников.

!Пирамида биомассы и энергии

Типы взаимоотношений организмов

В ЕГЭ часто просят определить тип отношений: * Симбиоз (+/+): взаимовыгодное сожительство. Мутуализм*: обязательная связь (лишайник, термиты и жгутиковые). Протокооперация*: необязательная связь (рак-отшельник и актиния). * Комменсализм (+/0): один получает пользу, другому безразлично (акула и рыбы-прилипалы). * Хищничество (+/-): один убивает и ест другого. * Паразитизм (+/-): один живет за счет другого, нанося вред, но не убивая сразу (аскарида и человек). * Конкуренция (-/-): борьба за одни и те же ресурсы (волк и лиса за зайца).

Биосфера

Биосфера — это живая оболочка Земли. Учение о биосфере создал великий русский ученый В.И. Вернадский.

Живое вещество (совокупность всех организмов) выполняет важнейшие функции, преобразуя планету:

Газовая: выделение и поглощение газов (фотосинтез дает , дыхание дает ).

Концентрационная: накопление химических элементов в теле (накопление азота, фосфора, кальция в костях, кремния в хвощах).

Окислительно-восстановительная: химические превращения веществ (окисление железа бактериями).

Энергетическая: аккумуляция солнечной энергии в химических связях (фотосинтез).

Круговорот веществ

Биосфера устойчива, потому что в ней происходит круговорот веществ. Атомы углерода, азота, фосфора и воды бесконечно путешествуют из неживой природы в живую и обратно.

> Важно: Энергия в экосистеме НЕ совершает круговорот. Она поступает от Солнца и рассеивается в виде тепла. Круговорот совершают только вещества.

Заключение

Мы завершили теоретический блок курса. Теперь у вас есть полная картина: от строения ДНК до глобальных биосферных процессов.

Помните: * Эволюция объясняет историю жизни. * Экология объясняет связи жизни.

Эти знания позволят вам не просто заучивать ответы, а логически выводить их, что является ключом к высокому баллу на ЕГЭ. Впереди вас ждут практические задания для закрепления материала.

Удачи в решении задач!

5. Основы генетики, селекция и биотехнология. Решение задач

Основы генетики, селекция и биотехнология. Решение задач

Мы подошли к финальному и, пожалуй, самому «математическому» разделу нашего курса. В предыдущих статьях мы говорили об эволюции и экологии, рассматривая процессы на уровне популяций и биосферы. Но что лежит в основе этих изменений? Что именно передается от родителей к потомкам и подвергается естественному отбору? Ответ кроется в генах.

Сегодня мы разберем генетику — науку о закономерностях наследственности и изменчивости, изучим методы селекции (создания новых пород и сортов) и заглянем в будущее с помощью биотехнологии. А в конце я дам алгоритмы решения генетических задач, которые принесут вам максимум баллов во второй части ЕГЭ (задание 28).

Основные понятия генетики

Генетика имеет свой язык. Без знания терминологии невозможно понять условие задачи. Выучите эти определения наизусть:

* Ген — участок молекулы ДНК, несущий информацию о первичной структуре одного белка. Это единица наследственности. * Локус — местоположение гена в хромосоме. * Аллельные гены (аллели) — различные формы одного и того же гена, расположенные в одних и тех же локусах гомологичных (парных) хромосом. Они отвечают за варианты развития одного признака (например, карий или голубой цвет глаз). * Доминантный признак (обозначается заглавной буквой, например, ) — признак, который подавляет проявление другого признака. * Рецессивный признак (обозначается строчной буквой, например, ) — подавляемый признак, проявляется только при отсутствии доминантного гена. * Гомозигота — организм, имеющий одинаковые аллели одного гена ( или ). Не дает расщепления в потомстве (образует один сорт гамет). * Гетерозигота — организм, имеющий разные аллели одного гена (). Дает расщепление в потомстве. * Генотип — совокупность всех генов организма. * Фенотип — совокупность всех внешних и внутренних признаков организма. Фенотип формируется под влиянием генотипа и окружающей среды.

Законы Менделя

Грегор Мендель — отец генетики. Проводя эксперименты на горохе, он вывел три фундаментальных закона. Для записи скрещиваний используют следующие обозначения: — родители, — гаметы, — гибриды первого и второго поколений.

Первый закон: Закон единообразия

При скрещивании двух гомозиготных организмов, отличающихся одной парой альтернативных признаков, все первое поколение гибридов окажется единообразным и будет нести признак одного из родителей (доминантный).

Схема скрещивания: (желтый) (зеленый) и (все желтые)

Второй закон: Закон расщепления

При скрещивании гибридов первого поколения () между собой, во втором поколении наблюдается расщепление.

Схема скрещивания:

Математически расщепление выглядит так:

где — доля доминантных гомозигот (), — доля гетерозигот (), — доля рецессивных гомозигот (). Это расщепление по генотипу.

По фенотипу расщепление иное:

где — доля особей с доминантным признаком (желтые), — доля особей с рецессивным признаком (зеленые).

Третий закон: Закон независимого наследования

Мендель также изучал наследование двух пар признаков (дигибридное скрещивание), например, цвет семян (желтый/зеленый) и форма семян (гладкая/морщинистая). Он выяснил, что гены разных признаков наследуются независимо друг от друга, если они находятся в разных парах хромосом.

При скрещивании дигетерозигот () расщепление по фенотипу составляет:

где — особи с обоими доминантными признаками, — с первым доминантным и вторым рецессивным, — с первым рецессивным и вторым доминантным, — с обоими рецессивными признаками.

!Решетка Пеннета, демонстрирующая расщепление 9:3:3:1 при дигибридном скрещивании.

Хромосомная теория наследственности (Томас Морган)

Законы Менделя работают идеально, только если гены находятся в разных хромосомах. Но генов тысячи, а хромосом у человека всего 23 пары. Значит, в одной хромосоме находится множество генов. Как они наследуются?

Томас Морган, работая с плодовой мушкой дрозофилой, установил:

Гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются вместе (сцепленно).

Сцепление может нарушаться в результате кроссинговера — обмена участками между гомологичными хромосомами в профазе мейоза I.

Чем дальше друг от друга расположены гены в хромосоме, тем выше вероятность кроссинговера.

Вероятность кроссинговера измеряется в морганидах. Расстояние между генами можно выразить формулой:

где — расстояние между генами в морганидах, — процент кроссинговера (процент кроссоверных особей в потомстве).

Генетика пола

У большинства организмов пол определяется хромосомным набором.

* Аутосомы — неполовые хромосомы, одинаковые у самцов и самок. * Половые хромосомы — хромосомы, определяющие пол ( и ).

У млекопитающих (и человека): * Женский пол: (гомогаметный, образует гаметы только с ). * Мужской пол: (гетерогаметный, образует гаметы с и с ).

> Внимание! У птиц и бабочек все наоборот: самцы — (гомогаметны), самки — (гетерогаметны).

Сцепленное с полом наследование

Некоторые болезни передаются через половые хромосомы. -хромосома генетически пуста (несет мало генов), а -хромосома содержит много важных генов.

Классические примеры для ЕГЭ: * Гемофилия () и дальтонизм () — рецессивные признаки, сцепленные с -хромосомой. * Женщина — здорова, но носительница. * Мужчина — болен (у него нет второй , чтобы перекрыть больной ген).

Изменчивость

Свойство организмов приобретать новые признаки называется изменчивостью. Она бывает двух видов:

1. Ненаследственная (Модификационная)

Изменения фенотипа под действием среды, без изменения генотипа. Примеры*: загар человека, увеличение удоев коров при хорошем кормлении, разная форма листьев стрелолиста в воде и на воздухе. Свойства*: групповой характер, обратимость, не передается по наследству. * Норма реакции — пределы, в которых может изменяться признак (узкая или широкая).

2. Наследственная (Генотипическая)

Связана с изменением генетического материала.

* Комбинативная: возникает при половом размножении за счет перекомбинации генов (кроссинговер, случайное слияние гамет). Новые гены не появляются, просто старые сочетаются по-новому. * Мутационная: внезапные, скачкообразные изменения генов. Генные*: замена нуклеотида в ДНК (серповидно-клеточная анемия). Хромосомные*: изменение структуры хромосомы (потеря участка, поворот). Геномные*: изменение числа хромосом (синдром Дауна — лишняя 21-я хромосома, полиплоидия у растений).

Селекция

Селекция — наука о создании новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов.

Основатель научной селекции в России — Н.И. Вавилов. Он открыл Закон гомологических рядов наследственной изменчивости (родственные виды имеют сходные мутации) и определил Центры происхождения культурных растений.

Методы селекции

Искусственный отбор: человек оставляет для размножения особей с нужными признаками.

Массовый*: отбирают группу особей по фенотипу (для растений). Индивидуальный*: отбирают конкретную особь и проверяют ее генотип по потомству (для животных).

Гибридизация: скрещивание организмов.

Близкородственная (инбридинг)*: для закрепления признаков, перевода генов в гомозиготное состояние. Может привести к депрессии. Неродственная (аутбридинг)*: скрещивание разных линий или пород. Ведет к гетерозису (гибридной силе) — явлению, когда потомки превосходят родителей по жизнестойкости и продуктивности.

Искусственный мутагенез: облучение семян радиацией для получения мутаций (используется только для растений и грибов).

Биотехнология

Современная наука, использующая живые организмы для производства ценных продуктов.

Основные направления:

Генная инженерия: перенос генов из одного организма в другой.

Пример*: в бактерию встраивают ген человеческого инсулина, и она начинает производить лекарство для диабетиков. Так получают ГМО (генетически модифицированные организмы).

Клеточная инженерия: манипуляции с клетками.

Клонирование*: получение генетически идентичных копий. Гибридизация соматических клеток*: слияние неполовых клеток разных организмов.

!Процесс создания рекомбинантной плазмиды в генной инженерии.

Алгоритм решения задач (Задание 28)

Чтобы получить 3 балла за задачу, нужно не только найти ответ, но и правильно оформить решение.

Определите тип наследования.

* Если в условии сказано «скрестили красное с белым, получили розовое» — это неполное доминирование. * Если расщепление странное (не 3:1, не 9:3:3:1) — ищите сцепление или летальные гены. * Если признак чаще встречается у самцов — это сцепление с полом.

Запишите «Дано».

* Введите буквенные обозначения ( — гладкие, — морщинистые).

Составьте схему скрещивания.

* Обязательно подписывайте фенотипы под каждым генотипом! * Указывайте пол (, ).

Проверьте гаметы.

* Помните: в гамету уходит только одна буква из пары ( или ).

Напишите ответ.

* Ответ должен быть развернутым. Укажите генотипы и фенотипы потомства, а также закон, которым вы пользовались.

Пример оформления мысли

Задача: Какова вероятность рождения голубоглазого ребенка () у кареглазых родителей (), если оба родителя гетерозиготны?

Решение: (карие) (карие) и (карие), (карие), (голубые).

Вероятность рождения голубоглазого ребенка () рассчитывается как доля благоприятных исходов к общему числу исходов:

где — вероятность события, — количество генотипов , — общее количество возможных генотипов потомства.

Заключение

Генетика — это логика живой природы. Поняв законы Менделя и Моргана, вы сможете предсказывать признаки будущих поколений. Селекция и биотехнология показывают, как человек применяет эти знания на практике.

Это была последняя теоретическая статья нашего интенсива. Вы прошли путь от строения атомов в молекулах клетки до сложнейших биотехнологических процессов. Теперь дело за малым — отработать навыки на практике. Удачи на экзамене!

Переходите к выполнению заданий ниже.