Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

Переднє слово

«Біологія і екологія» — таку назву має курс про живу природу в старшій школі. Поєднання біології та екології в одному предметі є свідченням того, що людство прагне до збереження довкілля взагалі й живої природи зокрема. Нам потрібно так жити в світі, щоб тим, хто прийде після нас, залишилася багата, здорова й чиста планета, приваблива для життя.

Дорогі читачі й читачки цієї книги! Автори вмістили в підручник тексти, що дають відповідь на два запитання (на нашу думку, це ті запитання, на які повинен давати відповідь будь-який підручник): чому зараз ми так думаємо, і як мені може знадобитися отримана інформація сьогодні, завтра і пізніше. Відповідь на перше запитання прихована в наших пояснювальних текстах, що відтворюють хід людської думки на шляху до певних відкриттів. А от на друге запитання відповідь не є такою очевидною. Її вам доведеться шукати на сторінках підручника самотужки. Чи знадобляться вам уміння прогнозувати стан власного здоров’я після певних дій? Чи зможете ви в майбутньому довести партнеру/партнерці, що планування народження дитини краще за несподіваність? Чи будуть корисними для вас і вашого оточення навички гігієнічної і природоохоронної поведінки? Якщо ви впевнено відповідаєте «так» на ці та подібні запитання, ця книга для вас! Що ж до наших колег і колежанок, які працюватимуть за цим підручником, то для них авторський колектив розробив зручний методичний апарат, призначений для формування ключових компетентностей і критичного мислення в учнівства.

Наш курс складається із чотирьох тем. Тема «Біорізноманіття» присвячена знайомству зі світом живої природи на рівні найвищих таксонів. Тут важливо зрозуміти сучасні досягнення, що спираються на дані геноміки, протеоміки,

молекулярної біології тощо в галузі побудови філогенетичного дерева живої природи. У темі «Обмін речовин і перетворення енергії» ми розглянемо особливості хімічної організації організмів, їхні можливості щодо забезпечення себе поживними речовинами і будівельними матеріалами. Тема «Спадковість і мінливість» занурить нас у чарівний і дивовижний світ генетики. Тут ми дізнаємося чи можуть у двох схожих батьків народитися несхожі на них діти. Особливої уваги потребуватимуть теми, що стосуються медико-генетичного консультування й спадкових хвороб людини. Остання тема «Репродукція та розвиток» присвячена будові статевих клітин, процесам запліднення й розвитку організмів, зокрема людини. Важливим буде знайомство із ризиками безпліддя та можливими шляхами його подолання.

У підручнику є основні тексти параграфів, які варто опрацювати всім вам. Також ми рекомендуємо виконувати завдання із рубрики «Життєві запитання — обійти не варто!». Тут можна знайти завдання на будь-який смак. Усім, хто цікавиться живою природою, хто вирішили поєднати своє життя з біологією, медициною, біотехнологією, сільським господарством, ми радимо читати тексти в рубриці «Цікаве життя». Там ви знайдете натяки на вагомі галузі науки про життя, що активно розвиваються нині і потребують, можливо, і вашої участі.

Авторський колектив висловлює щиру подяку своїм учителям і учням! Думки про вас не полишали нас під час роботи над підручником. Ми мали чітку внутрішню настанову на те, щоб виправдати сподівання тих, хто нас вчив, і бути цікавими й корисними для тих, кого вчимо ми.

Успіхів нам усім у пізнанні такого прекрасного й унікального явища, яким є життя!

§ 1. Фундаментальні властивості живого

Жива природа Землі різноманітна і безмежно цікава

Спів солов’я, політ джмеля, цвітіння калини, народження людини та багато інших біологічних процесів і явищ привертали увагу людства в усі часи його існування (рис. 1.1). Колись знання про природу визначали долю кожної людини: які рослини можна їсти, де і як полювати тощо, а тепер ці знання визначають, чи збережеться жива природа на нашій планеті взагалі.

Рис. 1.1.

А. Політ джмеля. Б. Плоди й листки калини — одного із символів України.

Рис. 1.2. Дивовижні живі істоти

A. Тихохід — представник типу тварин, що розповсюджені у високогір’ях, глибинних водах, гарячих джерелах, льодовиках. Б. Суцвіття соняшника кошик: видно два типи квіток — несправжньоязичкові по краях кошика і трубчасті в центрі суцвіття. B. Гнізда саланганів. Через видобуток їх місцевим населенням Малайзії щороку гинуть десятки тисяч пташенят. Ціна на такі гнізда сягає 2500 доларів США за кілограм.

Скільки таємниць приховує в собі будь-який організм: тихоходи здатні до тривалого заморожування й перегрівання, витримують високі дози радіації й зберігають життєздатність у стані спокою без їжі і води до 120 років; соняшник — однорічна рослина з різними типами квіток у суцвітті, що здатна повертати це молоде суцвіття, слідуючи за сонцем, а її насіння накопичує велику кількість жирів і вітаміну Е; стрижі-салангани будують гнізда з власної слини, а люди їх видобувають і варять із них суп, який є найдорожчою стравою на планеті (рис. 1.2). Перелік «див» живої природи є насправді безмежним. Вивченням усього цього розмаїття організмів, явищ, процесів займаються біологія та екологія — науки про життя й «домашнє господарство» живої природи. Опануванню найбільш загальних уявлень, теорій, поглядів цих наук і присвячений наш курс «Біологія і екологія» в 10-му й 11-му класах.

Скориставшись ознаками живого, можна відрізнити живе від неживого

Життя на нашій планеті надзвичайно різноманітне, але який би організм ми не дослідили, виявиться, що в нього є ознаки схожості з усіма іншими організмами на планеті. Ці ознаки отримали назву — ознаки життя, і саме вони відрізняють живе від неживого.

Якщо проаналізувати хімічний склад представників трьох доменів живої природи — бактерій, архей та еукаріотів, то виявиться, що одні й ті самі хімічні елементи (як-от: Оксиген, Карбон, Гідроген, Нітроген тощо) переважають в організмах усіх груп. Ба більше, досліджуючи хімічний склад будь-якого представника живого світу ми знайдемо білки, ліпіди, вуглеводи і нуклеїнові кислоти, а також значну кількість інших однакових речовин. Усе це свідчить, що організми мають подібний хімічний склад.

Основною структурною ознакою організмів є їхня клітинна будова. Мало того, що клітина є найменшою одиницею будови і функціонування будь-якої живої істоти, усі клітини схожі за загальною структурою та процесами, що в них відбуваються. Так усі клітини мають спадковий матеріал у вигляді молекул ДНК, завдяки якому ознаки передаються нащадкам. Основою діяльності будь-якої клітини є білки, що синтезуються спеціальним апаратом — сукупністю молекулярних машин, здатних зчитувати спадкову інформацію і на її основі утворювати білки. Отримані білки беруть учать у обміні речовин у клітині: в отриманні енергії внаслідок розщеплення речовин і в утворенні нових речовин, потрібних для побудови клітини. І всі ці компоненти завжди відділені від довкілля ліпідною мембраною. Ці принципові частини ви знайдете у клітині будь-якого організму — від бактерій до людини. Окрім того, клітини еукаріотів подібні між собою набором, будовою і принципами функціонування основних компонентів — органел. Однак зовнішній вигляд і спеціальні функції окремих клітин можуть значно різнитися (рис. 1.3). Утім, усередині всі ці клітини лишаються подібними. Понад те, кожна нова клітина виникає лише з іншої клітини шляхом її поділу!

Усі організми характеризуються наявністю обміну речовин. Це означає, що вони отримують поживні речовини (живляться) (рис. 1.4), використовують їх для отримання енергії (дихання) і побудови організму (ріст і розвиток), виводять кінцеві продукти назовні у процесах виділення. Процеси обміну речовин в організмі забезпечуються спеціальними білками-каталізаторами — ферментами.

Рис. 1.3. Різноманітність клітин

А. Еритроцит — червона кров’яна «клітина», має форму двоввігнутого диска, без ядерна. Оскільки еритроцит не містить спадкової інформації у вигляді молекули ДНК, то не може вважатися повноцінною клітиною. Зазвичай такі утворення називають постклітинними структурами. Б. «Клітини» посмугованої м’язової тканини зливаються, утворюючи багатоядерне утворення без чітких меж між окремими клітинами. В. Нервова клітина виконує специфічні функції й має розгалужені відростки. Г. Замикальні клітини продихів листків регулюють водний обмін рослин, закриваючи і відкриваючи продихову щілину. Д. Клітина діатомової водорості вкрита кремнеземовою черепашкою, що складається з двох частин. Е. Клітина інфузорії-туфельки є чи не найскладнішою клітиною в світі. Вона має два ядра і вкрита численними війками, що працюють злагоджено.

У живому світі існує два основні способи живлення: автотрофне і гетеротрофне. Автотрофи утворюють собі органічні поживні речовини з вуглекислого газу і неорганічних сполук, натомість гетеротрофи використовують утворені автотрофами речовини. Своєю чергою, вуглекислий газ виділяється при диханні як гетеротрофів, так і автотрофів. Звідси стає зрозумілим, що співіснування автотрофів і гетеротрофів є запорукою стійкості систем живої природи. Джерелом енергії для автотрофного синтезу органічних речовин слугує або енергія світла у фотоавтотрофів, або енергія хімічних перетворень у хемоавтотрофів (детальніше в § 17).

Рис. 1.4. Живлення у живій природі

А. Коала — типовий монофаг, тобто тварина, що живиться одним видом їжі — листками евкаліпта. Б. Венерина мухоловка — комахоїдна рослина, що росте на бідних на Нітроген фунтах. Щоб задовільнити потребу в Нітрогені, вона полює на комах. В. Плямисті гієни — хижаки, але не проти поласувати падлом.

Більшість організмів задля дихання використовує кисень як речовину-окисник. Утім, існує група (здебільшого це прокаріотичні організми), що здатні отримувати енергію з органічних речовин і без кисню, скориставшись іншими неорганічними речовинами як окисниками. Такі організми отримали назву анаероби, на відміну від аеробів, що дихають киснем.

Процеси росту живого засновані на здатності клітин ділитися і утворювати подібні клітини. Крім того, самі клітини можуть збільшуватися у розмірах, що призводитиме до збільшення загальних розмірів організму, навіть без утворення нових клітин. Деякі організми, за умови постійної наявності потрібних речовин у середовищі, можуть рости необмежено протягом усього життя: такими є гриби, рослини, ряд тварин. Інші ж можуть вирости лише до певної межі й призупинити свій ріст, тобто мають обмежений ріст. Такими є, зокрема, одноклітинні організми, комахи, птахи, ссавці.

Ріст організмів — це не тільки збільшення розмірів, це ще й зміни пропорцій між частинами тіла, зміни обміну речовин і функціонування окремих органів та їхніх систем — складний і надто цікавий процес, що називають розвиток. Так, покидаючи яйце, личинка жаби (пуголовок) має двокамерне серце і одне коло кровообігу, зовнішні зябра й хвіст. У процесі розвитку серце стає трикамерним, виникає друге коло кровообігу, зябра разом із хвостом зникають, проте з’являються легені і передні кінцівки (рис. 1.5). Люди також розвиваються протягом життя, наприклад, зростаються кістки черепа в немовляти, чи молочні зуби змінюються постійними, у певний час настає статева зрілість тощо.

Організми здатні у всьому різноманітті речовин, з яких вони складаються, вишукувати старі й пошкоджені молекули, видаляти їх і утворювати нові, на заміну видаленим. Така здатність до самооновлення характерна усім організмам. Так, наприклад, у людському тілі за тиждень оновлюються клітини епітелію кишківника, за два тижні — клітини альвеол (повітряних міхурців) легень, за чотири місяці — еритроцити, за п’ять місяців — печінка, а за 10 років — усі кістки.

Хімічний склад, будова і процеси в живих істотах суттєво відрізняються від того, що відбувається в неживій природі. Для підтримання такої відокремленості в організмах налагоджені чіткі механізми саморегуляції. Без них неможливе підтримання сталості внутрішнього середовища організму — гомеостазу. Така регуляція здійснюється хімічними речовинами чи за допомогою нервових імпульсів. Крім того, відокремленість одного організму від іншого підтримують спеціальні механізми імунітету.

Рис. 1.5. Етапи розвитку гостромордої жаби

Організми не живуть у вакуумі, а весь час взаємодіють із різними чинниками навколишнього середовища. Крім того, ці чинники дуже часто змінюють силу свого впливу на організм. Тому кожен організм повинен мати змогу відреагувати на зміну навколишнього середовища. Така властивість характерна для всіх організмів і має назву подразливість.

Будь-яка істота на Землі здатна утворювати собі подібних у процесі розмноження. Без такої здатності неможливе тривале існування життя: організм виникне, проживе життя і рано чи пізно помре. Ви вже знаєте, що в біології виокремлюють два основні типи розмноження: статеве і нестатеве. І якийсь із цих типів обов’язково використає кожен організм на планеті для збереження і поширення свого виду (рис. 1.6)!

Необхідною умовою для розмноження є здатність передавати інформацію своїм нащадкам про принципи побудови і функціонування організму. Ця властивість живого проявляється у спадковості.

Рис. 1.6. Розмноження у живій природі

А. Свиня вигодовує поросят молоком. Б. Парування червоноклопів червоних. В. Плоди помідорів містять усередині насіння, за допомогою якого продовжується існування виду. Г. Суниці розмножуються майже виключно нестатевим способом за допомогою стеблових вусів.

Спадковість реалізується завдяки компактному запису усієї потрібної інформації про організм у молекулах ДНК, які відповідно до принципу комплементарності здатні копіюватися (реплікуватися) з високою точністю.

Зрештою усе живе з часом змінюється, збільшуючи свою пристосованість (адаптуючись) до умов навколишнього середовища. Це відбувається завдяки процесу еволюції. Саме еволюція є тією ознакою живого, що веде до збільшення біологічного різноманіття і породжує нові унікальні особливості життя.

Наостанок варто зазначити, що лише одна чи кілька ознак живого не є достатніми для віднесення об’єкта до живої чи неживої природи. Так, наприклад, вода з льодовиків «живить» гірські озера й, випаровуючись, «виділяється» з них, кристали солі «ростуть» при випарюванні розчину. Щороку, еволюціонуючи, з’являються нові моделі смартфонів, більш адаптовані до нових вимог. Лише наявність сукупності ознак живого може слугувати достовірним критерієм віднесення певного об’єкта до живої природи.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. У 1927 році видатний біолог Микола Кольцов на з’їзді вчених в галузі зоології зробив висновок про те, що «як матриця, за якою будується ген майбутнього покоління, використовується ген попереднього покоління». Яку ознаку живого ілюструє це твердження?

А еволюцію

Б спадковість

В обмін речовин

Г подразливість

Д саморегуляцію

• 2. Клітинна будова усього живого свідчить про те, що

А віруси не є живими істотами

Б кожен організм побудований принаймні з двох клітин

В об’єкти, що складаються з багатьох клітин, є живими

Г не всіх одноклітинних варто відносити до живої природи

Д зошит у клітинку може вважатися живим організмом

• 3. Для кактусів характерні такі типи живлення і дихання

А хемоавтотрофне, аеробне

Б фотогетеротрофне, аеробне

В фотоавтотрофне, аеробне

Г хемогетеротрофне, анаеробне

Д фотоавтотрофне, анаеробне

• 4. Увідповідніть ознаку живого та її прояв.

1. живлення

2. ріст

3. саморегуляція

4. спадковість

А соняшник поглинає вуглекислий газ для здійснення фотосинтезу

Б при збільшенні температури всередині тіла потові залози інтенсивніше виділяють піт

В форма листків молодого дуба, подібна до такої у батьківських рослин

Г щохвилини людина робить 16—20 вдихів

Д після виходу із фіни тіло бичачого ціп’яка щодня збільшується на 7—12 см

У житті все просто

• 5. Проаналізуйте, які ознаки живого характерні для каміння. Чому не можна вважати камінь живим?

• 6. Запропонуйте ряд дослідів, що могли б довести чи спростувати «живу» природу сніжинки.

У житті все не так просто

• 7. Незважаючи на досягнення у розвитку біології, високий технологічний рівень дослідницьких інструментів, величезну світову спільноту вчених в царині біології, у науці про живе залишився чималий перелік проблем, що їх не вдається розв’язати вже тривалий час. Схарактеризуйте кілька таких проблем. Чому так довго їх не вдається розв’язати? Що потрібно зробити для їх вирішення?

• 8. Складіть мінімальний перелік ознак живого, наявності яких було б достатньо, щоб однозначно вважати певний об’єкт живою істотою. Перевірте за вашими критеріями «живість» спори анаеробних бактерій, тихохода на дні водойми і їжака у сплячці.

Попередня
Сторінка
Наступна
Сторінка

Зміст