От клетки до системы
Одна клетка стала многими; многие клетки образовали ткани, органы и системы; и каждая система выполняет одни и те же три функции — поглощение необходимых организму веществ, их транспортировку к местам использования и удаление ненужных остатков. Этот раздел является ядром курса IGCSE по биологии: клетки и молекулы, транспорт веществ через мембраны, питание растений и человека, дыхание, газообмен, транспорт, выделение и координация.
Edexcel International GCSE Biology 4BI1, Раздел 2 (утверждения 2.1–2.95) — самый большой раздел курса, охватывающий все длинные вопросы на обоих экзаменационных листах. Утверждения с буквой B являются расширенным курсом для отдельной науки (только биология); студенты, сдающие двойной сертификат, изучают базовый материал без букв.
Организация и клетки
Уровень организации идет вверх: органны → клетки → ткани → органы → системы.
| Структура | Функция |
|---|---|
| Ядро | содержит ДНК, управляет деятельностью клетки |
| Цитоплазма | место протекания реакций |
| Клеточная мембрана | регулирует поступление веществ внутрь и выход наружу |
| Клеточная стенка (растения) | прочность (целлюлоза) |
| Митохондрии | выделяют энергию при дыхании |
| Хлоропласты (растения) | поглощают свет для фотосинтеза |
| Рибосомы | синтез белков |
| Вакуоль | хранит воду и растворенные вещества (крупная и постоянная у растений) |
2.5B Специализированные клетки образуются путем дифференцировки; 2.6B стволовые клетки могут замещать поврежденные клетки — преимущества: лечение таких состояний, как паралич или лейкоз; недостатки: этические проблемы, связанные со зародышами, риск отторжения и неконтролируемое деление.
Биологические молекулы и ферменты
Углеводы содержат C, H, O; белки добавляют N; липиды состоят из C, H, O, но содержат значительно меньше кислорода. Большие молекулы представляют собой цепи малых единиц: крахмал и гликоген из простых сахаров, белок из аминокислот, липид из жирных кислот и глицерина. 2.9 Тесты на пищу: глюкоза — реактив Бенедикта (при нагревании, синий → кирпично-красный); крахмал — йод (желто-коричневый → сине-черный); белок — бийурет (синий → фиолетовый); жир — этаноловый эмульсионный тест (появление мутного белого слоя).
Ферменты — это биологические катализаторы: они ускоряют метаболические реакции, сами не расходуясь. Каждый имеет активный центр, который должен соответствовать субстрату. При температуре выше оптимальной или при отклонении от оптимального pH активный центр меняет форму (денатурация), и фермент перестает работать. Практическая работа 2.12/2.14B следует за перевариванием крахмала амилазой при разных температурах или значениях pH с использованием йода.
Движение веществ внутрь и наружу клеток
Диффузия — это суммарное движение частиц из области с высокой концентрацией в область с низкой (например, кислород в кровь). Осмос — диффузия воды через полупроницаемую мембрану от разбавленного раствора к более концентрированному. Активный транспорт перемещает вещества против градиента концентрации за счёт энергии клеточного дыхания (например, минеральные ионы в клетки корневых волосков). Скорость увеличивается при увеличении отношения площади поверхности к объёму, концентрации градиента и температуры, и уменьшается с расстоянием.
Питание
Цветковые растения. Фотосинтез превращает световую энергию в химическую, запасаемую в глюкозе:
Ограничивающие факторы: концентрация углекислого газа, интенсивность освещения, температура — каждый из них повышает скорость до тех пор, пока не станет ограничивающим другой фактор. Ионы магния участвуют в синтезе хлорофилла (их нехватка вызывает пожелтение листьев); нитрат-ионы необходимы для синтеза аминокислот. 2.23: элодея демонстрирует выделение кислорода; йодный тест выявляет крахмал в листе после его затемнения, воздействия CO₂ или отсутствия хлорофилла.
Человек. Сбалансированное питание включает: углеводы, белки, липиды, витамины A (зрительная адаптация), C (соединительная ткань), D (усвоение кальция), кальций (кости) и железо (гемоглобин), воду и пищевые волокна. Потребность в энергии возрастает при физической активности, росте (возраст) и беременности. Пищеварительный тракт: рот → глотка → пищевод → желудок → двенадцатиперстная кишка и подвздошная кишка → толстая и прямая кишка; поджелудочная железа выделяет ферменты. Движение пищи обеспечивается перистальтикой. Пищеварение: амилаза и мальтаза расщепляют крахмал до глюкозы, протеазы — белки до аминокислот, липазы — липиды до жирных кислот и глицерина. Желчь (вырабатывается печенью, накапливается в желчном пузыре) нейтрализует кислоту желудка и эмульгирует липиды, превращая их в капли. Стенка подвздошной кишки образует ворсинки: огромная площадь поверхности, однослойные стенки, густая сеть капилляров — всё это приспособлено для всасывания.
Дыхание и газообмен
Клеточное дыхание высвобождает энергию из глюкозы для синтеза АТФ, которая обеспечивает работу мышц, синтез белков и активный транспорт. Аэробное: глюкоза + кислород → углекислый газ + вода (символьное уравнение: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O). Анаэробное (без кислорода): у животных глюкоза → молочная кислота (меньше энергии, кислородный долг); у растений и дрожжей глюкоза → этанол + углекислый газ.
Растения (2.40B–2.45B). Газы поступают и удаляются путем диффузии через устьица; плоская форма листа, воздушные полости и тонкие влажные поверхности способствуют газообмену так же, как и фотосинтезу. Днем фотосинтез преобладает над дыханием, поэтому чистый обмен — поглощение CO₂ и выделение O₂; ночью идет только дыхание (чистый обмен — поглощение O₂ и выделение CO₂). Гидрогенкарбонатный индикатор это подтверждает: оранжевый → желтый при наличии CO₂ (темнота), оранжевый → фиолетовый при уменьшении CO₂ (яркий свет).
Человек (2.46–2.50). Грудная клетка: ребра, межреберные мышцы, диафрагма, трахея → бронхи → бронхиолы → альвеолы, все покрыты плевральными оболочками. Вдох: межреберные мышцы и диафрагма сокращаются, объем грудной клетки увеличивается, давление падает, воздух поступает внутрь. Курение повреждает альвеолы (эмфизема), закупоривает артерии и повышает риск ишемической болезни сердца.
Транспорт
Одноклеточным организмам достаточно диффузии — каждая часть находится близко к поверхности. Многоклеточным организмам нужны транспортные системы.
Растения. Ксилема переносит воду и минеральные ионы от корней к листьям; флоэма транспортирует сахарозу и аминокислоты между листьями и остальной частью растения. B-расширение: клетки корневых волосков всасывают воду осмотически; транспирация — испарение воды с поверхностей, преимущественно через устьица, усиливается при низкой влажности, сильном ветре, высокой температуре и ярком освещении.
Человек. Кровь: плазма (переносит CO₂, переваренную пищу, мочевину, гормоны, тепло), эритроциты (двояковогнутые диски, без ядра, насыщенные гемоглобином — большая площадь поверхности и короткий путь диффузии для кислорода), лейкоциты (фагоциты захватывают патогены; лимфоциты выделяют специфические антитела) и тромбоциты (свертывание крови, B-расширение; вакцинация формирует клетки памяти, B-расширение).
Правая половина сердца перекачивает кровь в легкие, левая — в тело; физическая нагрузка и адреналин повышают частоту сердечных сокращений. Артерии несут кровь от сердца под высоким давлением (толстые эластичные стенки), вены возвращают её под низким давлением (широкий просвет, клапаны), капилляры обеспечивают обмен веществ (однослойные стенки). Факторы риска ишемической болезни сердца включают курение, высокожировую диету и малоподвижный образ жизни.
Экскреция
Растения выделяют отходы O₂ и CO₂ через устьица. Человек выводит CO₂ (легкими), мочевину + воду + ионы (почками — также вода и мочевина в поте). B-расширение: почка фильтрует кровь в нефронах (капсула Боумена → клубочек; ультрафильтрация; избирательное обратное всасывание всей глюкозы в проксимальных извитых канальцах; всасывание воды из собирательных протоков под действием АДГ — осморегуляция). Моча содержит воду, мочевину и ионы; мочевыделительная система: почки → мочеточники → мочевой пузырь → мочеиспускательный канал.
Координация и реакции
Гомеостаз поддерживает постоянство внутренней среды (содержание воды, температура). Координированный ответ требует стимул → рецептор → эффектор. Растения реагируют на свет (фототропизм) и гравитацию (геотропизм) — побеги растут к свету, корни вниз — под контролем ауксина, накапливающегося на теневой стороне побега.
Нервный контроль электрический, быстрый и кратковременный; гуморальный контроль химический в крови, более медленный и длительный. ЦНС (головной и спинной мозг) соединена с органами чувств нервами; в синапсе нейромедиатор передает сигнал между нейронами.
Глаз фокусирует за счет изменения формы хрусталика (близко: более выпуклый) и реагирует на свет зрачком. Контроль температуры кожи: потение охлаждает за счет испарения; вазодилатация теряет тепло; вазоконстрикция сохраняет его. Гормоны: адреналин (надпочечники — реакция «бей или беги»), инсулин (поджелудочная железа — снижает глюкозу в крови), тестостерон (яички), прогестерон и эстроген (яичники); B-расширение добавляет АДГ (гипофиз), ФСГ и ЛГ (гипофиз — менструальный цикл).
Проверьте себя
- Расставьте по размеру: клетка, орган, органоид, система, ткань.
- Назовите две структуры, которые есть у растительной клетки, но нет у животной, и одну структуру, которая есть у животной клетки, но отсутствует у большинства растительных.
- Назовите мелкие единицы, из которых состоят белки, крахмал и липиды.
- Укажите цветовые изменения для реактива Бенедикта, йода и биурета.
- Почему нагревание фермента значительно выше оптимальной температуры прекращает его работу?
- Различайте диффузию, осмос и активный транспорт, описав каждый одним предложением.
- Запишите сбалансированное символьное уравнение фотосинтеза и аэробного дыхания.
- Приведите две адаптации листа для фотосинтеза и две адаптации альвеол для газообмена.
- Почему одноклеточный организм может выживать без транспортной системы?
- Сравните артерии, вены и капилляры по толщине стенки, размеру просвета и функции.
- Опишите, что происходит с глюкозой, водой и мочевиной при прохождении жидкости по нефрону (B).
- Укажите путь рефлекторной дуги и приведите одно преимущество рефлексов.
Ответы: 1 органелла → клетка → ткань → орган → система; 2 целлюлозная оболочка и хлоропласты (а также крупная постоянная вакуоль); животные клетки содержат много митохондрий; 3 аминокислоты; простые сахара; жирные кислоты и глицерин; 4 реактив Бенедикта синий → кирпично-красный (с глюкозой при нагревании); йод желто-коричневый → синюшо-черный (со крахмалом); Бийурет синий → фиолетовый (с белком); 5 активный центр меняет форму (денатурация), поэтому субстрат больше не подходит; 6 диффузия — чистое движение вдоль градиента концентрации; осмос — движение только воды через полупроницаемую мембрану; активный транспорт — против градиента с использованием энергии; 7 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (свет, хлорофилл); C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O; 8 лист: широкая плоская поверхность и столбчатые клетки, плотно заполненные хлоропластами (или воздушные пространства/устьица); альвеола: одноклеточные стенки и огромная площадь поверхности (влажная поверхность, сеть капилляров); 9 его площадь поверхности велика по сравнению с объемом, поэтому диффузия быстро достигает каждой части; 10 артерии — толстые мышечные стенки, узкий просвет, несут кровь от сердца под высоким давлением; вены — тонкие стенки, широкий просвет, клапаны, возвращают кровь под низким давлением; капилляры — одноклеточные стенки, обмен веществами; 11 (B) вся глюкоза селективно реабсорбируется в кровь в проксимальном извитом канальце; вода реабсорбируется из собирательного протока (регулируется АДГ); мочевина не реабсорбируется и выводится с мочой вместе с водой и ионами; 12 стимул → рецептор → сенсорный нейрон → вставочный нейрон (ЦНС) → двигательный нейрон → эффектор; рефлексы быстрые и автоматические, защищают организм до нанесения вреда.