Содержание

Начальные этапы развития жизни на Земле

Как полагают, первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3,0–3,5 млрд. лет назаданаэробные, гетеротрофные прокариоты, они питались синтезированными абиогенно органическими веще­ствами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения.

При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности, т.е. к синтезу органических веществ из неорганических. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии. Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез.

Для первых фотосинтезирующих бактерий источником элект­ронов был сероводород. Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции

аэробного дыхания. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.

Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиогенеза, эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга.

Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки. Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,5 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось 2,5 млрд. лет

7.4. Генетика и эволюция

Генетиканаука, изучающая наследственность и изменчивость.

Единицей наследственной информации является ген, ответственный за формирование какого-либо элементарного признака. Гены располагаются в локусах (участках) хромосом. Гены в одинаковых локусах гомологичных хромосом и отвечающие за развитие вариантов какого-либо признака, называют аллельными. Их принято обозначать буквами латинского алфавита. Аллельные гены могут быть доминантными (А, В) или рецессивными (a, b).

Фенотип – совокупность всех признаков и свойств организма.

Генотип совокупность всех генов организма.

Генофонд – совокупность генов популяции.

Кариотип – совокупность морфологических признаков хромосом вида (размер, форма, детали строения, число и т. д.).

Закономерности наследования

Первый закон Менделя (закон единообразия): при скрещивании гомозиготных особей, все гибриды первого поколения едино­образны. Например, при скрещивании растений с желтыми семенами АА и растений с зелеными семенами аа, гибриды первого поколения оказываются все с желтыми семенами Аа (рис. 7.2).

Второй закон Менделя (закон расщепления): при моногибридном скрещивании гетерозиготных особей во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу 3:1 и по генотипу 1:2:1.

Третий закон Менделя (закон независимого наследования): гены разных аллельных пар и соответствующие им признаки наследуются независимо.

Рис. 7.2. Первый закон Менделя

Закон Моргана (закон сцепленного наследования): гены, локализованные в одной хромосоме наследуются сцеплено. Признаки, гены которых находятся в половых хромосомах, наследуются сцеплено с полом (гемофилия – несвертываемость крови, дальтонизм – неспособность различать красный и зеленый цвета).

studfiles.net

Начальные этапы развития жизни на Земле

Естественные науки призваны помочь человечеству познать как самих себя, так и окружающий мир и, конечно же, выяснить каким образом на нашей планете возникла жизнь во всех её формах и проявлениях. Не вдаваясь в религиозные догмы о сотворении мира высшей духовной силой – Богом, мы изучим гипотезы происхождения живой материи, которыми оперирует биология. Основные этапы развития жизни на Земле помогут нам раскрыть проблему её происхождения и проявления в окружающем мире.

Представление ученых о процессе эволюции живой природы

Если собрать воедино все биологические виды организмов, как современных, так и давно вымерших, получится астрономическое число – до одного миллиарда видов. Неудивительно, что ученые, жившие в разное время, стремились выделить основные этапы развития жизни на Земле, приведшие к возникновению этих видов живых организмов, а также к формированию современной картины природы. Основатель систематики Карл Линней еще в 18 веке в основу этой науки положил принцип «живое от живого», в котором утверждал, что жизнь может возникнуть только от уже существующей живой субстанции. Линней не допускал даже намека на так называемое самозарождение организмов. Немецкий биолог Э. Геккель первым высказал идею о монофилии – происхождении всех живых организмов от одного предка. Жан-Батист Ламарк также отстаивал представление об одноклеточной предковой форме, возникновение которой произошло в ранние этапы развития жизни на Земле. Подводя итог всему выше сказанному, можно утверждать, что существующие в науке гипотезы о происхождении жизни классифицируются на две группы. Первая – абиогенная, она включает представления об образовании живой материи из неживой природы (А. Опарин, Д. Холдейн, С. Миллер). Другая – биогенная, содержит идеи о появлении живых существ только от себе подобных (Р. Вирхов, К. Линней, Ч. Дарвин).

Имели ли первичные организмы общую предковую форму

Первые этапы развития жизни на Земле, а именно абиогенный (химический), затем период появления биополимеров (белков и нуклеиновых кислот), названный предбиологическим и, наконец, этап биологической эволюции (формирование первичных одноклеточных организмов). Они были объединены и названы биопоэзом. Некоторые исследователи (например, Д. Бернал, С. Миллер) предложили идею о прогеноте – прародителе, от которого произошли архебактерии, эубактерии, ядерные клетки. Другие же исследователи считают, что эукариоты возникли не от прогенота, а явились результатом симбиоза, или же образовались вследствие изменений наружной мембраны протобионта. Рассмотрим эти гипотезы более детально.

Гипотеза Опарина – Холдейна

Среди множества научных версий, пытающихся объяснить явление, известное в науке как предбиологический этап развития жизни Земле, большой популярностью пользуется гипотеза коацерватных капель. Она сформулирована российским ученым А. И. Опариным. Похожие идеи были высказаны и британским исследователем Д. Холдейном. Идеи ученых перекликались с давно известной в биологии гипотезой о самозарождении жизни.

Суть гипотезы коацерватов

Академик А. Опарин предположил, что группы молекул органических соединений, появившиеся в результате процессов химического этапа, смогли создать достаточно плотную оболочку. Тем самым они отделялись от первичного бульона – водной среды древнего океана. Эти группы молекул ученый назвал коацерватами. Они уже были способны к самостоятельному существованию, продолжая осуществлять обмен с первичным раствором. К очень важным, по мнению Опарина, свойствам коацерватов относилась их способность к росту и дроблению (размножению). Д. Холдейн, опирался на опыты Миллера-Юри, в которых был экспериментально получен комплекс органических веществ из смеси метана, аммиака, водорода и углекислого газа. В него входили молекулы аминокислот и простых сахаров. Это привело к возможности появления обособленных структур – пробионтов.

По мнению Опарина и Холдейна, начальные этапы развития жизни на Земле, приведшие к образованию первичных комплексов – предшественников клеток, обеспечили основу для дальнейшего процесса эволюции живой материи. Нужно отметить, что для проведения экспериментов ученые удачно смоделировали возможные условия, которые могли быть в атмосфере и в первичном мировом океане, а именно: высокая температура и давление, ионизирующее облучение и электрические разряды.

Пробионты и их свойства

Наиболее ранние этапы развития жизни на Земле – катархей, а затем и архей, ознаменовались переходом от самоорганизующихся коацерватов (пробионтов) к первичным живым клеткам. Он стал возможным благодаря уникальным свойствам пробионтов: способности к образованию изолированных мембран, возможностью к простейшим формам размножения, элементарным процессам обмена с внешней средой. Самоорганизованные молекулы нуклеопротеидов, возникшие в результате химического этапа, обеспечили у пробионтов проявление важнейшего свойства живой материи – способности к передаче наследственной информации.

Характеристика первых живых организмов

Достаточно давно (приблизительно 3,5 миллиарда лет назад) образовались осадочные породы, в которых были обнаружены следы органической жизни. Они имели вид известковых оболочек цианобактерий и остатков муреиновых стенок бактериальных клеток. Геохимические условия литосферы в архейскую эру постоянно менялись, поэтому первичные экосистемы прокариот могли адаптироваться к ним путем накопления многих фенотипических вариантов. Фотосинтез, осуществляемый сине-зелеными водорослями (цианобактериями), обеспечил кардинальное изменение газового состава первичной атмосферы Земли, позволившее дальнейший выход живых существ из водной среды обитания на сушу. Деятельность первых прокариотических организмов, а ними являлись в основном серо- и железобактерии, привела к образованию не только осадочных пород, но также нефти и природного газа.

Почему стало возможным появление эукариотических клеток

Как мы уже упоминали ранее, фотосинтетическая активность зеленых и пурпурных серобактерий, а также железобактерий способствовала формированию экранирующего озонового слоя и появлению аэробных эукариотических клеток. Иными словами, первые 3 этапа развития жизни Земле привели к образованию биоценозов, содержащих одноклеточные и многоклеточные эукариотических организмы. Большинство ученых склонны считать, что их возникновение произошло около 600 миллионов лет тому назад. Вначале ядерные организмы были представлены одноклеточными жгутиковыми формами. В результате дивергенции от них произошли первые растения – водоросли, а также простейшие и грибы. Интересным представляется суждение некоторых исследователей о том, что прокариоты являются тупиковой ветвью эволюции, так как они практически не изменились в первые этапы развития жизни на Земле. Биология выдвигает две причины, объясняющее отсутствие эволюционного развития безъядерных организмов.

К первой из них относится неспособность прокариотических клеток к повышению организации и к дифференциации. Вторая причина – жесткий ригидный наследственный материал прокариот, представленный единственной кольцевой молекулой ДНК, называемой плазмидой.

Симбиоз, приведший к революционным изменениям в природе

Появления ядерных клеток в научных кругах принято объяснять с позиции симбиогенеза – теории, предложенной А. Шимпером. Так формирование клеточного ядра, наличие которого служит главным признаком эукариотов, а также образование хлоропластов и митохондрий стало возможным в результате трансформации некоторых аэробных бактерий. Проникнув в первичную клетку с наследственным веществом, обособленным мембраной, бактерии синхронизировали свой обмен веществ с клеткой хозяина. В итоге они потеряли способность к самостоятельному существованию вне клетки и стали её обязательными органеллами. Заслуживающей внимания является и гипотеза, объясняющая появление хлоропластов. Ведь нельзя забывать, что именно возникновение этих органоидов обеспечило феномен автотрофного питания и процесса фотосинтеза. Вслед за А. Шимпером, такие известные российские ученые, как К. С. Мережковский, Б. М. Козо-Полянский и другие обратили внимание на группу фотосинтезирующих бактерий, способных к симбиозу с гетеротрофными клетками. Попав в цитоплазму, они, по-видимому, ассимилировались с клеточным метаболизмом и стали функционировать в качестве органоидов, в последствии названных хлоропластами. Сами же гетеротрофные клетки видоизменились в одноклеточные зеленые водоросли, став первыми автотрофными эукариотами.

Биогеоценозы вендского периода

Итак, сосуществование сразу нескольких видов безъядерных организмов – бактерий - могло привести к формированию новой живой системы – эукариотической клетки. Продолжая изучать первые этапы развития жизни на Земле, остановимся на вендском периоде протерозойской эры, которая пришла на смену архею. В водной среде – основной колыбели жизни на планете, сформировались первые биогеоценозы. Продуцентами в них являлись фотосинтезирующие бактерии, а также одноклеточные и колониальные зеленые водоросли.

Они выделяли кислород, синтезировали органические вещества, которыми пользовались гетеротрофные организмы: одноклеточные простейшие, а также многоклеточные формы: кишечнополостные и трилобиты. Вендским периодом заканчиваются первые этапы развития жизни на Земле. Эрам и периодам, следующими за ним, предстояло осуществить дальнейшие процессы эволюции живой природы, в основе которых лежала наследственная изменчивость и естественный отбор.

fb.ru

Начальные этапы развития жизни на Земле

Как полагают, первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3,0–3,5 млрд. лет назаданаэробные, гетеротрофные прокариоты, они питались синтезированными абиогенно органическими веще­ствами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения.

При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности, т.е. к синтезу органических веществ из неорганических. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии. Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез.

Для первых фотосинтезирующих бактерий источником элект­ронов был сероводород. Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.

Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиогенеза, эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга.

Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки. Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,5 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось 2,5 млрд. лет

7.4. Генетика и эволюция

Генетиканаука, изучающая наследственность и изменчивость.

Единицей наследственной информации является ген, ответственный за формирование какого-либо элементарного признака. Гены располагаются в локусах (участках) хромосом. Гены в одинаковых локусах гомологичных хромосом и отвечающие за развитие вариантов какого-либо признака, называют аллельными. Их принято обозначать буквами латинского алфавита. Аллельные гены могут быть доминантными (А, В) или рецессивными (a, b).

Фенотип – совокупность всех признаков и свойств организма.

Генотип совокупность всех генов организма.

Генофонд – совокупность генов популяции.

Кариотип – совокупность морфологических признаков хромосом вида (размер, форма, детали строения, число и т. д.).

Закономерности наследования

Первый закон Менделя (закон единообразия): при скрещивании гомозиготных особей, все гибриды первого поколения едино­образны. Например, при скрещивании растений с желтыми семенами АА и растений с зелеными семенами аа, гибриды первого поколения оказываются все с желтыми семенами Аа (рис. 7.2).

Второй закон Менделя (закон расщепления): при моногибридном скрещивании гетерозиготных особей во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу 3:1 и по генотипу 1:2:1.

Третий закон Менделя (закон независимого наследования): гены разных аллельных пар и соответствующие им признаки наследуются независимо.

Рис. 7.2. Первый закон Менделя

Закон Моргана (закон сцепленного наследования): гены, локализованные в одной хромосоме наследуются сцеплено. Признаки, гены которых находятся в половых хромосомах, наследуются сцеплено с полом (гемофилия – несвертываемость крови, дальтонизм – неспособность различать красный и зеленый цвета).

studfiles.net

Реферат - Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле


Раздел 2. Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле.

История представлений о возникновении жизни на Земле.

Учёные прошлого считали, что живые существа самозародились из неживого материала. Древнегреческий учёный Аристотель ( 384-322 до н. э.) утверждал, что черви и насекомые зарождаются из росы, мяса и навоза; Фламанский учёный Ван Гельмонт (1575-164) писал о зарождении мышей из грязного белья.

В 17 в. Итальянский врач Франческо Реди доказал, что «черви» (личинки мух) появляются не из гнилого мяса, а из отложенных мухами яиц. Ф. Реди нанёс удар по представлениям о самопроизвольном зарождении жизни.

Окончательно эти утверждения были опровергнуты в 1860 г. Французским учёным Луи Пастером (1822-1895 г.). Он кипятил бульон в склянках с S – образным горлышком. Бульон оставался стерильным годы, т. е. самозарождение жизни не было. Жизнь вечна. Стали утверждать некоторые учёные. Споры растений, микроорганизмы попали на Землю с других планет. Сторонником этого взгляда был шведский учёный Аррениус (1859-1927). В нашей стране эту гипотезу разделял биогеохимик В. И. Вернадский (1863-1945г.). Если это так, то каким же образом жизнь возникла на этих планетах? Всё многообразие точек зрения сводится к 2 основным гипотезам:

- биогенеза – всё живое от живого;

- абиогенеза – происхождение живого из неживого.

Предпосылки возникновения жизни на Земле

Вначале Земля была холодной, но в дальнейшем благодаря распаду радиоактивных элементов она стала разогреваться. Вещества Земли вступали между собой в химические реакции. Среди продуктов реакций было много газов, Они вырывались на поверхность Земли. Образовалась её первичная атмосфера. В её составе: пары воды, СО2, сероводород, аммиак, метан. После снижения температуры на поверхности Земли ниже 100º С, начался период дождей. Образовались моря и океаны. В горячей воде растворялись газы, а также соли и др. вещества. В первичной атмосфере отсутствовали кислород и озон. Были часто грозы. Под влиянием электрических разрядов между веществами, растворёнными в океане, могли происходить химические реакции, могли образовываться химические соединения.

2. ^ Современные представления о происхождении жизни.

В 1924 году русским учёным академиком Опариным А.И. выдвинута гипотеза согласно которой биологической эволюции предшествовала химическая. Первым шагом на пути возникновения жизни на Земле стал небиологический (абиогенный) синтез органических молекул из неорганических. Вторым шагом на пути возникновения жизни на Земле был процесс концентрирования органических веществ. Образовывались коацерваты. Капельки коацервата способны поглощать из раствора различные вещества. Это напоминает процесс питания, увеличение в размерах – это рост. Продукты реакции выделяются из коацервата в окружающую среду. Это похоже на процесс выделения продуктов обмена. Важнейшей ступенью к жизни явилось возникновение молекул, способных к самовоспроизведению. Первобытные организмы по способу питания были настоящими гетеротрофами. Крупным шагом на пути эволюции жизни было возникновение автотрофного питания – фотосинтеза и хемосинтеза. По мере развития растений происходило накопление кислорода в атмосфере. Жизнь «вышла» из воды и растворилась по всей поверхности Земли.

www.ronl.ru

РАЗДЕЛ 1 ПРОИСХОЖДЕНИЕ И НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

БИОЛОГИЯ

 

Конспект лекций

для студентов 1 курса

всех форм обучения

 

 

Кемерово 2010

Составитель:

В.Л. Чайков, преподаватель,

 

 

Рассмотрено и утверждено на заседании

кафедры математики и естественнонаучных дисциплин

Протокол № 7 от « 14 » февраля 2009 г.

 

 

Рекомендовано методической комиссией

среднетехнического факультета

Протокол № 6 от « 10 » февраля 2010 г.

 

В курсе общей биологии рассмотрены основные аспекты существования и функционирования живых систем, во взаимосвязи с окружающей средой. А также, основы селекции живых организмов и генной инженерии. Большое внимание уделено раскрытию теории эволюции.

 

© Кем ТИПП, 2010

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Наше время характеризуется чрезвычайно возросшей взаимозависимостью людей. Жизнь человека, его здоровье, условия его труда и быта почти целиком зависят от правильности решений, принимаемых очень многими другими людьми. В свою очередь, деятельность отдельного человека та же влияет на судьбу многих других. Именно поэтому очень важно, чтобы наука о жизни стала неотъемлемой частью мировоззрения каждого человека, независимо от его специальности. Строителю, технологу, мелиоратору знание биологии необходимо так же, как врачу или агроному ибо только в этом случае они будут представлять последствия своей производственной деятельности для природы и человека.

Цель данного курса лекций – дать представление о структуре живой материи, наиболее общих ее законах, познакомить с многообразием жизни и историей её развития на Земле. В соответствии с этим особое внимание уделяется анализу взаимоотношений между организмами и условиями устойчивости экосистем. В курсе приведены примеры, характеризующие подчиненность человека всем известным биологическим законам.



 

РАЗДЕЛ 1 ПРОИСХОЖДЕНИЕ И НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Тема 1.1 Многообразие живого мира. Основные

Свойства живого

 

Терминология

1. Неорганические соединения – элементы и образуемые ими простые и сложные вещества, встречающиеся в больших количествах вне живых организмов.

2. Органические соединения – соединения углерода с другими элементами, встречающиеся преимущественно в живых организмах.

3. Биополимеры – высокомолекулярные органические соединения, мономерами которых являются простые органические молекулы.

4. Клетка – структурно-функциональная единица, а так же единица развития всех живых организмов.

5. Ткань – совокупность сходных по строению клеток, связанных выполнением общих функций.

6. Орган – совокупность пространственно изолированных тканей, специализированная на выполнении определенных функций.

7. Биологическая система – биологические объекты разной степени сложности, имеющие несколько уровней организации. Обладает свойствами целого.

Биология – это наука о жизни. Биология изучает строение, проявление жизнедеятельности, среду обитания всех живых организмов планеты. Живое на планете представлено необычайным многообразием форм, множеством видов живых существ. Ученые постоянно находят и описывают новые виды как существующие, так и вымершие в минувшие эпохи.

Одной из основных задач биологии является раскрытие общих свойств живых организмов и объяснение причин их многообразия, выявление связей между строением и условиями обитания.

Важное значение в науке имеют вопросы возникновения и законы развития жизни на Земле – эволюционное учение. Понимание этих законов является основой научного мировоззрения.

По предмету изучения биология подразделяется на отдельные науки:

- ботаника;

- зоология;

- генетика;

- биохимия;

- анатомия;

- медицина;

- экология и т.д.

Каждая из этих наук имеет собственные подразделения и благодаря накопленным знаниям – все более специализируется.

В соответствии с уровнем организации живой материи выделяются научные дисциплины: молекулярная биология, цитология – учение о клетке, гистология – учение о тканях и т.д.

Биология использует самые различные методы изучения:

1. исторический;

2. описательный;

3. инструментальный.

В различных областях биологии все больше взрастает значение пограничных дисциплин: биофизика, биохимия, бионика.

Возникновение жизни и функционирование живых организмов обусловлены естественными законами. Познание их позволяет составить точную картину мира и использовать в практических целях.

Достижения биологии последнего времени привели к возникновению новых направлений в науке, ставших самостоятельными разделами в комплексе. (Генная инженерия). Практическое применение достижений современной биологии, в настоящее время позволяет получить новые биологические вещества – пищу, лекарства, материалы. Исключительная способность природы к самовосстановлению создала иллюзию ее неуязвимости, безграничности ее ресурсов. Но это не так. Поэтому вся деятельность человека должна строиться с учетом принципов организации биосферы.

Значение биологии для человека огромно. Общебиологические закономерности используются при решении самых разных вопросов во многих отраслях народного хозяйства. В сельском хозяйстве достигнуты большие успехи по выведению новых сортов культурных растений, пород домашних животных, штаммов микроорганизмов. В дальнейшем практическое значение биологии еще больше возрастет. Это связано с быстрыми темпами роста населения планеты, с возрастающей численностью городского населения. В такой ситуации важна интенсификация сельхозпроизводства. Важную роль в этом будет играть научно обоснованное использование природных ресурсов.

Первые живые существа появились на нашей планете 3 млрд. лет назад. От этих ранних форм возникло бесчисленное множество видов живых организмов, которые, появились, процветали в течение определенного времени, а затем вымирали. От ранее существовавших форм произошли современные живые организмы, образующие четыре царства природы:

- более 1.5 млн. видов животных;

- 350 тыс. видов растений;

- значительное количество видов грибов;

- множество организмов – прокариотов.

Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими системами различной структурной организации. Все живые организмы состоят из клеток. Клетка может быть отдельным организмом и частью многоклеточного растения или животного. Она может быть простейшей или сложной. Любая клетка представляет собой целый организм, способный выполнять все функции для обеспечения жизнедеятельности. Клетки, входящие в состав многоклеточного организма специализированны – они выполняют одну функцию и не способны существовать вне организма. У высших организмов взаимосвязь и взаимозависимость клеток приводит к созданию нового качества, не равного простой сумме. Соединения их в процессе эволюции образует целостный организм с определенными, присущими только ему свойствами.

Критерии живых систем

Это система оценок отличающих живые системы от объектов неживой природы.

1. Особенности химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако их соотношение неодинаково. Элементы неживой природы представлены: О2, Si, Fe, Mg, Al, S, MeO, MeS, MeCO3 и т.д. В живых организмах 98% состава приходится на O2, C, N2, H2. Они входят в состав сложных органических молекул: белков, ДНК, углеводов, жиров.

2. Метаболизм. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой. Важнейшими процессами являются синтез и распад. Живые организмы поглощают из среды различные вещества, они перерабатываются. Часть идет на строительство организма, часть – на пополнение энергозатрат. Это ассимиляция или пластический обмен. Это диссимиляция или энергетический обмен, когда органические соединения распадаются на простые и выделяется энергия. Метаболизм обеспечивает гомеостаз организма – это постоянство его строения и функций.

3. Единый принцип структурной организации. Все организмы на любой ступени сложности и размеров состоят из клеток.

4. Репродукция. На организменном уровне репродукция проявляется в виде размножения особей. Потомство сходно с родителями. В основе самовоспроизведения лежит реакция матричного синтеза при самоудвоении ДНК.

5. Наследственность. Это способность организмов передавать свои признаки, свойства, способности из поколения в поколение. Наследственность обеспечивает материальную преемственность в ряду поколений.

6. Рост и развитие. Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное изменение объектов природы. В результате возникает новое, качественное состояние объекта, изменяется его состав и структура.

А) индивидуальное – онтогенез.

Б) историческое – филогенез.

7. Раздражимость. Это свойство живых организмов избирательно реагировать на внешние воздействия. Многоклеточные организмы реагируют на раздражение по средствам рефлекса. Организмы не имеющие нервной системы реагируют тропизмами – направлением роста, движения (гелиотропизм – движение к солнцу).

8. Дискретность. Это свойство живой материи. Она идет от простого к сложному. Дискретность строения организма – основа его структурного порядка.

9. Авторегуляция. Это способность живых организмов в условиях меняющейся среды поддерживать постоянство химсостава и интенсивность физиологических процессов. Эта деятельность регулируется функцией особых систем.

10. Энергозависимость. Живые тела – это энергетически открытые системы. Обменные процессы осуществляются в них через оболочки (мембраны, кожа). Они поддерживают постоянство состава и единство системы. Живые организмы существуют при постоянном поступлении материи и энергии извне.

Жизнь – это активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение специфической структуры.

 

Контрольные вопросы

 

1. Сущность термина «Биология».

2. Подразделение биологии по предмету изучения.

3. Подразделение биологии по уровню организации.

4. Значение биологии для человека.

5. Многообразие живого мира.

6. Биологические системы.

7. Уровни организации живого.

8. Критерии живых систем.

 

 

Терминология

1. Туманность – скопление газово-пылевой материи во вселенной, имеющее большие размеры.

2. Галактика – звезда и окружающие ее планеты.

3. Звездная система – система звезд с окружающими их планетами, развивающаяся из одной туманности.

4. Планета – небесное тело, совершающее движение по близкой к круговой орбите вокруг звезды, светящееся отраженным светом.

5. Абиогенный синтез – образование органических молекул из неорганических вне живых организмов.

6. Энергия – общая количественная мера количества движения материи.

7. Раствор – однородные смеси двух или нескольких веществ, распределенных в растворителе.

8. Коацервация – разделение раствора ВМС на фазы с большей и меньшей концентрацией молекул.

9. Коацерват – пузырьки жидкости, окружённые белковыми пленками.

10. Адсорбция – поглощение вещества из жидкой среды поверхностью твердого тела.

Вопрос о происхождении жизни на Земле, а так же, вероятно и на других планетах иных звездных систем волновал человека с той поры, как он начал осознавать себя человеком, стал познавать себя и окружающий мир. Первые попытки теоретического решения вопроса восходят к глубокой древности и носят отпечатки тех эпох и воззрений. В этом вопросе с глубокой древности существуют две точки зрения: одна утверждает возможность происхождения живого от неживого – это теория абиогенеза, другая – теория биогенеза – отрицает самопроизвольное зарождение жизни. Современные воззрения позволяют только поставить этот спор на научную почву и тем самым обосновать правильность теории абиогенеза.

Химическая эволюция

На первых этапах Земля имела очень высокую температуру. По мере ее остывания тяжелые элементы перемещались к ее центру, а легкие оставались на поверхности. Металлы окислялись и свободного кислорода в атмосфере не было. Она состояла из H2, CH4, NH3, HCN и носила восстановительный характер. Это служило предпосылкой возникновения органических веществ небиологическим путем. До начала 20 века считалось, что они могут возникать только в организме. В связи с этим их назвали органическими, а вещества – минералы, неорганическими. В 1953г. было доказано, что пропуская ток через смесь газов H2, CH4, NH3, HCN при отсутствии кислорода получена смесь аминокислот. В дальнейшем абиогенным путем были получены многие органические соединения. Все они впоследствии обнаружены в космосе.

Более 4 млрд. лет назад «колбой Миллера» был весь земной шар. Извергались вулканы, стекала лава, клубился пар, сверкали молнии. По мере остывания планеты водяные пары конденсировались и ливнями в течение миллионов лет обрушивались на планету. Сформировался первичный океан, горячий и насыщенный солями, кроме того туда попадали образующиеся сахара, аминокислоты, органические кислоты. По мере смягчения климата стало возможным образование более сложных соединений, в результате чего появились первичные биополимеры – полинуклеотиды и полипиптиды.

Первичный океан содержал в растворимом виде различные органические и неорганические молекулы. Концентрация их постоянно увеличивалась и постепенно воды стали «бульоном» из питательных органических соединений. Каждая молекула имеет определенную структурную организацию: некоторые диссоциированы, некоторые имеют гидратные оболочки. Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложное строение. Молекулы, окруженные водной оболочкой объединяются образуя высокомолекулярные комплексы – коацерваты. В первичном океане коацерватные капли поглощали другие вещества либо разрушались, либо укрупнялись. В результате капли усложнялись и приспосабливались к внешним условиям. Среди коацерватов начался отбор наиболее устойчивых форм. Появились различия между химсоставом внутренней и внешней среды. В результате химической эволюции сохранились те формы, которые при распаде на дочерние не утратили особенностей структуры. Это способность к самовоспроизведению. В процессе эволюции связь нуклеиновых кислот и белковых молекул привела к возникновению генетического кода. Это последовательность нуклеотидов служила информацией для последовательности аминокислот в молекуле белка. (Воспроизведение себе подобных). Постепенно слои липидов вокруг коацерватов преобразовались в наружную мембрану. Это предопределило пути дальнейшей эволюции. Образование первичных клеточных организмов положило начало биологической эволюции.

Возникновение прокариот

Отбор коацерватов продолжался около 750 млн. лет. В результате появились безъядерные – прокариоты. По способу решения они были гетеротрофы – использовали органику первичного океана. При отсутствии кислорода атмосферы у них протекал анаэробный обмен веществ. Он малоэффективен. Постепенно запасы питания в океане истощались. Началась конкуренция за питание.

В более выгодном положении оказались организмы способные использовать солнечную энергию для синтеза органики. Так возник фотосинтез. Это привело к появлению нового источника питания. Затем фотосинтезирующие организмы научились использовать воду, как источник водорода. Усвоение углекислого газа у них сопровождалось выделением кислорода и включением углерода в органические соединения. (Сегодня прокариоты поверхности океана производят до 78% возобновляемого кислорода.)

Переход от первичной атмосферы к кислородной среде – очень важное событие. В верхних слоях образуется озоновый экран, появляется более выгодный, кислородный тип обмена веществ. На Земле стали возникать новые формы жизни с более широким использованием окружающей среды.

Возникновение эукариот

Эукариоты возникли в результате симбиоза различных прокариот. Так возникли предки примитивных ныне живущих жгутиковых простейших. Симбиоз жгутиковых с фотосинтезирующими дали водоросли или растения.

Возможности одноклеточных в освоении среды обитания были ограничены. 2,6 млрд. лет назад появились многоклеточные. Основу современных представлений о возникновении объясняет теория фагоцителлы И.И.Мечникова. Многоклеточные произошли от колониальных жгутиковых. Они существуют и сейчас. Эти колонии превратились в простейший, но целостный организм.

Таким образом возникновение жизни на Земле связано с длительным процессом химической эволюции. Формирование мембраны – оболочки способствовало началу биологической эволюции. Как простейшие, так и сложно устроенные в основе своей структурной организации имеют клетку.

 

Контрольные вопросы

 

1. История представлений о возникновении жизни.

2. Работы Л. Пастера.

3. Теория вечности жизни.

4. Образование неорганических веществ и формирование планеты.

5. Теория А.И. Опарина.

6. Биологическая эволюция.

7. Возникновение первых многоклеточных.

 

Терминология

1. Биоэлементы – химические элементы, являющиеся основой органических молекул.

2. Макроэлементы – химические элементы, входящие в состав органических молекул в количестве, превышающем 1%.

3. Микроэлементы – химические элементы входящие в состав органических молекул в количестве, не превышающем 0,001%.

4. Гомеостаз – состояние динамического равновесия природной системы, поддерживаемое деятельностью регуляторских систем.

5. Буферные растворы – раствор органических или неорганических веществ, значение РН которых не изменяется при внесении небольших количеств щелочи или кислоты.

Простейшие микроорганизмы представляют собой отдельные клетки. Тело всех многоклеточных состоит из большего или меньшего числа клеток, которые являются блоками, образующими живой организм. Независимо от того, клетка – целостная система или часть ее, она имеет набор признаков, общих для всех клеток.

Терминология

1. Биологическая мембрана – бимолекулярный слой фосфолипидов с погруженными в него с разных сторон разнообразными молекулами белков.

2. Органоиды – постоянно присутствующие в цитоплазме строго специализированные структуры.

3. Цитоскелет – система микротрубочек и белковых волокон, обеспечивающая поддержание формы клеток и просторы структур по цитоплазме.

4. Митохондрии – энергетические станции клетки, на мембранах которых упорядоченно расположены ферменты энергетического обмена.

5. Пластиды – органоиды, в которых осуществляется фотосинтез.

6. Включения – непостоянно присутствующие в цитоплазме структуры, являющиеся продуктами жизнедеятельности клеток и выполняющие роль запаса питательных веществ.

Биохимические превращения неразрывно связаны с различными структурами живой клетки, которые отвечают за выполнение той или иной функции. Такие структуры получили название органоидов, так, как подобно органам целого организма, выполняют специфическую функцию. По уровню организации (степени сложности) все клетки делятся на безъядерные – прокариоты и ядерные – эукариоты. К безъядерным относят бактерии и синезеленые водоросли. К эукариотам – клетки грибов, животных и растений.

Таким образом, в современной науке выделяются два уровня клеточной организации: прокариотический и эукариотический. Прокариоты сохраняют черты глубочайшей древности: они очень просто устроены. На этом основании их выделяют в самостоятельное царство – дробянки.

Клетки эукариот содержат ограниченное оболочкой ядро, а так же сложноустроенные «энергетические станции» – митохондрии. Иными словами, все клетки ядерных организмов высоко организованы, приспособлены к потреблению кислорода и поэтому могут производить большое количество энергии.

Строение прокариот

Типичными прокариотами являются бактерии. Они живут повсюду: в воде, почве, продуктах питания. Перечень условий обитания показывает, какой высокой степенью приспособленности обладают прокариоты, несмотря на простоту их строения. Бактерии представляют собой примитивные формы жизни и можно предположить, что они возникли на самых ранних этапах развития жизни на Земле. Первоначально бактерии жили в морях. От них и произошли современные микроорганизмы. Человек познакомился с миром микробов после изготовления линзы с сильным увеличением.

Размеры бактерий колеблются от 1 до 15 мкм. По форме выделяют шаровидные – кокки, вытянутые – палочки, извитые – спиреллы. В зависимости от вида они существуют по отдельности или образуют скопления. Например стрептококк, вызывающий воспаления образует цепочки, стафилококк, поражающий дыхательные пути детей растет в виде грозди. По характеру таких скоплений ученые определяют вид микроорганизма. По физиологическим свойствам бактерии очень разнообразны. Они живут в аэробных либо анаэробных условиях. Необходимую энергию они получают в процессе дыхания, брожения, фотосинтеза. Бактерии паразитируют на живых организмах, вызывая у них заболевания. Недавно были открыты бактерии, паразитирующие на других бактериях. Основной особенностью строения бактерий является отсутствие ядра. Наследственная информация у бактерий заключена в одной хромосоме. Хромосома содержит одну молекулу ДНК. ДНК бактерий не образует комплексов с белками, поэтому наследственная информация непрерывно считывается с генов. Бактериальная клетка окружена мембраной, отделяющей цитоплазму от клеточной стенки.

У многих микроорганизмов внутри клетки откладываются запасные вещества. Это запасы. Размножаются бактерии простым делением. Бактериям свойственно образование спор. Спора возникает при недостатке питания и может существовать долго.

Строение эукариот

Эукариотические клетки входят в состав самых разнообразных организмов – от простейших до высших животных и растений. Эукариоты отличаются сложностью и разнообразием строения. Каждая клетка состоит из двух важнейших, неразрывно связанных между собой частей – цитоплазмы и ядра.

Ядро

Ядро – важнейшая составная часть клетки. Ядро содержит ДНК, т.е. гены, поэтому выполняет две основные функции:

1. Хранение и воспроизведение генетической информации.

2. Регуляция обменных процессов.

Как правило клетка содержит одно ядро. Форма ядра может быть разнообразной.

Ядро покрыто двухслойной оболочкой. Наружная покрыта рибосомами, внутренняя – гладкая. Выросты внешней мембраны соединяются с ЭПС. Ядерная оболочка – это часть мембранной системы клетки. Через выросты и поры в оболочке осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой.

Содержимое ядра представляет собой ядерный сок в гелеобразном состоянии, в котором располагаются хроматин и ядрышки. В составе сока белки и ферменты, а так же нуклеотиды и аминокислоты.

Хроматин состоит из ДНК и белков и представляет собой спирализованные участки хромосом. Форма хромосомы зависит от расположения первичной перетяжки – центромеры. Хромосомы могут быть равноплечие и неравноплечие.

Изучение хромосом позволило установить:

1. Во всех соматических клетках любого организма одинаковое число хромосом (кариотип).

2. Половые клетки данного вида организмов содержат половинный набор хромосом (генотип).

3. У всех организмов одного вида число хромосом одинаково.

Число хромосом в кариотипе:

Шпинат – 12 Сазан – 104

Домашняя муха – 12 Человек – 46

Ель, сосна – 24 Таракан – 48

Окунь – 28 Шимпанзе – 48

Собака – 78 Голубь – 80

Число хромосом в кариотипе чётное: одна из хромосом отцовская, другая – материнская. Хромосомный набор соматической клетки – Диплоидный – двойной, половой – одинарный, гаплоидный.

Характерной структурой ядра является ядрышко. Это скопление р-РНК и рибосом на разных этапах формирования. Этот участок хромосомы – ген, называется ядрышковым организатором. В нём закодирована структура РНК.

Контрольные вопросы

 

1. Что понимают под уровнем организации клетки?

2. Характеристика прокариот и эукариот.

3. Строение прокариот.

4. Морфология прокариот.

5. Строение эукариот.

6. Строение и функции ядра.

7. Кариотип и его особенности.

8. Строение и функции ядрышка.

 

 

Органоиды цитоплазмы

а) ЭПС. Эндоплазматическая сеть.

Наружная плазматическая мембрана продолжается в мембраны ЭПС. ЭПС – это сложная система мембран в цитоплазме клеток. Объем ЭПС составляет до 50% объема клетки. Существует два вида ЭПС:

1. Гладкая – осуществляет синтез липидов и углеводов.

2. Шероховатая синтезирует белки. Процесс идет на покрывающих ЭПС рибосомах. Синтезированные органические вещества транспортируются в аппарат Гольджи.

б) Рибосомы. Округлые тела, состоящие из белка и РНК. Рибосомная р-РНК синтезируется в ядре в зоне ядрышка, затем покидает ядро и переходит на ЭПС где происходит синтез белка.

в) Митохондрии. Содержатся во всех эукариотах. Всеобщее расположение митохондрий в животном и растительном мире указывает на важную роль, которую они играют в клетке. Форма – округлая. Количество неодинаково и зависит от функциональной активности клеток. Их больше там, где наиболее интенсивны синтетические процессы. Стенка – двухслойная мембрана. Внутренний слой имеет выросты – кристы. На их поверхности расположены многочисленные ферменты. Основная функция митохондрий – синтез АТФ – универсального источника энергии.

г) Лизосомы. Овальные тела, окруженные трехслойной мембраной. Лизосомы заполнены пищеварительными ферментами, способными расщеплять белки и нуклеиновые кислоты, липиды и полисахара. Расщепление (лизос). Лизосомы связаны своим содержимым с вакуолями. Лизосомы могут разрушать структуры самой клетки при их старении, когда зародышевые ткани заменяются постоянными.

д) Пластиды. Округлые тела, характерные только для растительных клеток. Основная функция – синтез углеводов. Различные виды пластид могут переходить друг в друга.

1. Хлоропласты. Содержат в гранулах зеленый пигмент – хлорофилл. Это основной компонент синтеза углеводов. Содержится во всех зеленых частях растений.

2. Хромопласты. Жёлтые (красные) пластиды. Образуются при видоизменении хлоропластов. Особенно много осенью в листьях. Участвуют в синтезе и водном обмене.

3. Лейкопласты. Бесцветные. Содержатся во всех частях растения. Участвуют в синтезе и хранении запасов питательных веществ. В зависимости от условий могут переходить в хромо или хлоропласт.

е) Клеточный центр. Парный орган. Состоит из 2-х центриолей. Центриоль – это пучок трубочек. Основная роль центра – участие в делении клеток, за счет формирования и веретена деления.

 

Контрольные вопросы

 

1. Цитоплазма и её роль в физиологии клетки.

2. Органоиды клетки, их строение и функции.

3. Эндоплазматическая сеть и её виды.

4. Лизосомы, строение и функции.

5. Митохондрии.

6. Клеточный центр и его роль в делении клетки.

7. Специфические органоиды.

8. Пластиды и их роль в жизнедеятельности организмов.

9. Способы питания и водного обмена клетки.

 

Терминология

1. Катаболизм – совокупность реакций расщепления, сопровождающихся выделением энергии.

2. Метаболизм – совокупность реакций расщепления и синтеза – обмен веществом и энергией.

3. Нуклеотид – мономер, природного полимера ДНК, состоящий из азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты.

4. Комплиментарность – порядок взаимного расположения нуклеотидов в параллельных цепях ДНК.

5. Анаболизм – совокупность реакций биосинтеза.

6. Ген – участок молекул ДНК, несущий информацию о признаке.

7. Автотрофы – организмы, получающие энергию из неорганических веществ.

8. Генераторы – организмы получающие органические вещества из окружающей среды.

В клетках непрерывно идут процессы биосинтеза. С участием ферментов (биокатализаторов) из простых низкомолекулярных веществ образуются сложные высокомолекулярные соединения: из аминокислот синтезируются белки, из моносахаридов – сложные углеводы, из азотистых оснований – нуклеотиды, а из них нуклеиновые кислоты.

Реакции биосинтеза отличаются видовой и индивидуальной специфичностью. В конечном итоге структура синтезируемых крупных органических молекул определяется наследственной информацией, заключенной в определенной последовательности нуклеотидов ДНК. Синтезированные вещества используются в процессе роста для построения клеток и их органоидов и для замены израсходованных или разрушенных молекул. Все реакции синтеза идут с поглощением энергии. Возникает вопрос: откуда клетки и целые организмы черпают энергию для процессов биосинтеза? Энергия для их обеспечения образуется в результате параллельно протекающих реакций расщепления органических молекул, поступающих с пищей, т.е. все реакции катаболизма протекают с выделением энергии. Реакции расщепления составляют энергетический обмен клетки. Совокупность реакций биосинтеза и расщепления веществ носит название метаболизма.

Живые организмы для жизнедеятельности нуждаются в источниках энергии. По способу её получения все организмы делятся на две группы – автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы – это организмы питающиеся, т.е. получающие энергию за счёт неорганических соединений. К ним относятся некоторые бактерии и все зеленые растения. В зависимости от того, какой источник энергии используется автотрофами для синтеза органических соединений, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы.

Для фототрофов источником энергии служит свет, а хемотрофы используют энергию, освобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях. Таким образом, пути получения энергии живыми организмами могут быть различны, направлены они на синтез органических соединений из углекислого газа и воды.

Зеленые растения являются фототрофами. При помощи содержащегося в хлоропластах хлорофилла они осуществляют фотосинтез – преобразование энергии солнечного света в энергию химических связей.

Фотосинтез

Процесс состоит из двух фаз – световой и темновой. В световой фазе кванты света взаимодействуют с молекулами хлорофилла, в результате чего эти молекулы переходят в более богатое энергией – возбужденное состояние. Затем избыток энергии части возбужденных молекул переходит в теплоту или испускается в виде света. Другая часть энергии передается ионам водорода, и имеющимся в водном растворе вследствие диссоциации воды образовавшиеся атомы водорода непрочно соединяются с органическими молекулами – переносчиками водорода. Ионы гидроксила ОНI отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы ОНI. При их взаимодействии образуется вода и молекулярный кислород:

 

4ОНI → О2 + 2Н2О.

 

Таким образом, источником кислорода, образующегося при фотосинтезе и выделяющегося в атмосферу является фотолиз – разложение воды под действием света. Зеленые растения синтезируют до 30% возобновляемого ежегодно кислорода. Кроме фотолиза энергия солнечного излучения используется в световой фазе для синтеза АТФ. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений с участием кислорода. Таким путем накапливается энергия, необходимая для процессов в темновой фазе фотосинтеза.

В комплексе химических реакций темновой фазы, для течения которой свет не обязателен, ключевое место занимает связывание СО2. В этих реакциях участвуют молекулы АТФ, синтезированные во время световой фазы и атомы водорода, образовавшиеся в процессе фотолиза воды и связанные с молекулами-переносчиками:

 

6СО2 + 24Н+ → С6Н12О6 + 6Н2О.

 

Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений.

Хемосинтез

Некоторые бактерии, лишенные хлорофилла, тоже способны к синтезу органических соединений, при этом они используют энергию химических реакций, происходящих в клетках при окислении некоторых неорганических соединений для усвоения СО2 и Н2О и построения из них органических веществ. Процесс образования некоторыми микроорганизмами органических соединений из неорганических за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций называется хемосинтезом.

К группе хемотрофов относятся в частности, азотфиксирующие бактерии. Одни из них используют энергию окисления аммиака в азотистую кислоту, другие – окисление азотистой кислоты в азотную. Известны хемосинтетики извлекающие энергию, которая возникает при окислении двухвалентного железа в трёхвалентное (их называют железобактериями) или при окислении сероводорода до серной кислоты (серные бактерии). Фиксируя атмосферный азот, переводя нерастворимые минералы в форму пригодную для усвоения растениями, хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ в природе и образовании полезных ископаемых.

Организмы, не способные сами синтезировать органические соединения из неорганических, нуждаются в доставке их из окружающей среды. Такие организмы называют гетеротрофами. К ним относятся большинство бактерий, грибы и все животные.

Микроорганизмы поверхности Мирового океана при хемосинтезе образуют до 70% возобновляемого кислорода.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие реакции составляют метаболизм клетки.

2. Специфичность реакций биосинтеза.

3. Способы получения энергии организмами.

4. Организмы автотрофы и гетеротрофы.

5. Фотосинтез и его фазы.

6. Значение фотосинтеза.

7. Хемосинтез, его сущность и значение.

8. Важнейшая реакция синтеза и её составные части.

 

 

Веществ в клетке

 

Совокупность реакций биологического синтеза называется пластическим обменом или анаболизмом. Из простых веществ поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки, т.е. происходит ассимиляция. Наиболее активно пластический обмен происходит в процессе роста организма. Наиболее важные процессы анаболизма, имеющие огромное значение для жизни на Земле – это фотосинтез и синтез белка.

Биосинтез белка.Как уже отмечалось, все многообразие свойств белков в конечном счёте определяется их первичной структурой, т.е. последовательностью аминокислот. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация из трех последовательно расположенных нуклеотидов – триплет. Так, аминокислоте цистеину соответствует триплет АЦА, валину – ЦАА, лизину – ТТТ и т.д. Таким образом, определенные сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК является генетическим кодом, несущем информацию о структуре белка.


Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

zdamsam.ru

Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле

Раздел 2. Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле.

  1. История представлений о возникновении жизни на Земле.

Учёные прошлого считали, что живые существа самозародились из неживого материала. Древнегреческий учёный Аристотель ( 384-322 до н. э.) утверждал, что черви и насекомые зарождаются из росы, мяса и навоза; Фламанский учёный Ван Гельмонт (1575-164) писал о зарождении мышей из грязного белья.

В 17 в. Итальянский врач Франческо Реди доказал, что «черви» (личинки мух) появляются не из гнилого мяса, а из отложенных мухами яиц. Ф. Реди нанёс удар по представлениям о самопроизвольном зарождении жизни.

Окончательно эти утверждения были опровергнуты в 1860 г. Французским учёным Луи Пастером (1822-1895 г.). Он кипятил бульон в склянках с S – образным горлышком. Бульон оставался стерильным годы, т. е. самозарождение жизни не было. Жизнь вечна. Стали утверждать некоторые учёные. Споры растений, микроорганизмы попали на Землю с других планет. Сторонником этого взгляда был шведский учёный Аррениус (1859-1927). В нашей стране эту гипотезу разделял биогеохимик В. И. Вернадский (1863-1945г.). Если это так, то каким же образом жизнь возникла на этих планетах? Всё многообразие точек зрения сводится к 2 основным гипотезам:

- биогенеза – всё живое от живого;

- абиогенеза – происхождение живого из неживого.

Предпосылки возникновения жизни на Земле

Вначале Земля была холодной, но в дальнейшем благодаря распаду радиоактивных элементов она стала разогреваться. Вещества Земли вступали между собой в химические реакции. Среди продуктов реакций было много газов, Они вырывались на поверхность Земли. Образовалась её первичная атмосфера. В её составе: пары воды, СО2, сероводород, аммиак, метан. После снижения температуры на поверхности Земли ниже 100º С, начался период дождей. Образовались моря и океаны. В горячей воде растворялись газы, а также соли и др. вещества. В первичной атмосфере отсутствовали кислород и озон. Были часто грозы. Под влиянием электрических разрядов между веществами, растворёнными в океане, могли происходить химические реакции, могли образовываться химические соединения.

2. Современные представления о происхождении жизни.

В 1924 году русским учёным академиком Опариным А.И. выдвинута гипотеза согласно которой биологической эволюции предшествовала химическая. Первым шагом на пути возникновения жизни на Земле стал небиологический (абиогенный) синтез органических молекул из неорганических. Вторым шагом на пути возникновения жизни на Земле был процесс концентрирования органических веществ. Образовывались коацерваты. Капельки коацервата способны поглощать из раствора различные вещества. Это напоминает процесс питания, увеличение в размерах – это рост. Продукты реакции выделяются из коацервата в окружающую среду. Это похоже на процесс выделения продуктов обмена. Важнейшей ступенью к жизни явилось возникновение молекул, способных к самовоспроизведению. Первобытные организмы по способу питания были настоящими гетеротрофами. Крупным шагом на пути эволюции жизни было возникновение автотрофного питания – фотосинтеза и хемосинтеза. По мере развития растений происходило накопление кислорода в атмосфере. Жизнь «вышла» из воды и растворилась по всей поверхности Земли.

refdb.ru

Основные этапы развития жизни на земле

Большинство учёных склоняются к гипотезе биохимической эволюции. Ее основы заложили русский учёный Александр Иванович Опарин и англичанин Джон Холдейн.

Сторонники гипотезы биохимической эволюции полагают, что жизнь возникла в результате процессов, которые подчиняются химическим и физическим законам природы.

Гипотеза биохимической эволюции легла в основу современных представлений о возникновении жизни.

На основе гипотезы биохимической эволюции Опарина — Холдейна в 1947 году английский исследователь Джон Бернал сформулировал современную теорию возникновения жизни на Земле, названную теорией биопоэза.

Данная теория основана на предположении о химической эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а затем и к биологической эволюции. То есть основана на трёх эволюционных этапах.

1-й. Химический этап возникновения жизни на Земле. Абиогенное возникновение органических мономеров.

2-й. Биохимический этап. Образование биологических полимеров.

И 3-й этап. Биологический. Формирование мембранных структур и первичных организмов.

На первом этапе древняя атмосфера Земли была насыщена вулканическими газами, в состав которых входили оксиды серы, азота, аммиак, оксиды и диоксид углерода, пары воды и ряд других веществ.

Активная вулканическая деятельность, сопровождавшаяся сильными и частыми электрическими разрядами вовремя практически не прекращающихся гроз, а также ультрафиолетового излучения способствовали образованию органических соединений.

 

Древняя атмосфера не содержала свободного кислорода, поэтому органические соединения не окислялись и могли накапливаться в тёплых и даже кипящих водах различных водоёмов, постепенно усложняться по строению, формируя так называемый «первичный бульон».

Продолжительность этих процессов составляла многие миллионы и десятки миллионов лет.

Итак, на первом химическом этапе образовались органические соединения ― мономеры. Предположительно аминокислоты.

Этот факт доказывает экспериментальнoе исследование американского учёного Стенли Миллера, который провёл эксперимент, моделирующий гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции.

На втором этапе возникновения жизни на Земле протекали реакции полимеризации, которые могли активизироваться при значительном увеличении концентрации раствора (пересыхание водоёма) и даже во влажном песке.

Из мономеров (аминокислот) формировались полимеры ― белковые вещества макромолекулы.

Образование белково-нуклеиново-липоидных комплексов и есть второй этап — биохимическая эволюция. Благодаря реакциям полимеризации образовывались сгустки, называемые коацерватными каплями.

Коацерваты, которые были способны к примитивному обмену и росту, в ходе дальнейшей эволюции превратились в пробионты ― предшественников живых организмов.

Благодаря наличию белков и, нуклеиновых кислот пробионты были способны передавать наследственную информацию. 

Такие пробионты с маточной наследственностью, может быть, множились. Пробионты, в которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки.

И именно возникновение наследственности представляло собой переход от химической эволюции к биологической.

3й ― Биологический этап эволюции.

В результате предбиологического естественного отбора появились первые примитивные живые организмы, которые вступили в биологический естественный отбор и дали начало всему органическому миру на Земле. Жизнь, очевидно, развивалась в водной среде на некоторой глубине, так как единственной защитой от ультрафиолетового излучения была вода.

Предполагалось, что первые примитивные организмы уже на первых этапах развития различались по способу питания. Такое различие обуславливалось недостатком питательных веществ.

Некоторые из примитивных организмов питались абиогенными органическими веществами первичного бульона и энергию получали путём их сбраживания. Учёные считают, что это были первичные прокариоты (бактерии, например), то есть организмы, клетки которых не имеют оформленного, ограниченного мембраной ядра. А по способу питания они являлись анаэробными гетеротрофами.

При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях обострилась конкуренция между древними прокариотами, которая, с одной стороны, способствовала усложнению их строения, с другой — привела к появлению новых способов получения энергии для жизненных процессов.

Некоторые первичные организмы из-за нехватки органических соединений стали использовать энергию солнечного света, перешли к автотрофному способу питания.

То есть появились организмы, которые для жизнедеятельности стали использовали неорганические вещества и синтезировать органические за счёт реакций окисления и восстановления.

Такие автотрофные организмы получили значительные преимущества в конкурентной борьбе.

Из-за фотосинтеза в атмосфере начал накапливаться кислород, благодаря чему в ходе эволюции появились предпосылки для нового, более эффективного способа получения энергии ― дыхания, отличающегося от гликолиза и брожения значительно большим выходом энергии.

Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволила организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.

Итак, произошло формирование прокариотических клеток. Это клетки, которые не имеют ядра. В отличие от эукариотической клетки, у прокариот нет и других мембранных органоидов: эндоплазматической сети, комплакса Гольжди, митохондрий, пластид и лизосом.

Однако, как вы знаете, все организмы, кроме бактерий и архей (а также вирусов), являются ядерными.  Животные, растения, грибы, протисты — все являются эукариотическими организмами.

Гипотезы происхождения эукариот

Большинство учёных считают, что эукариоты произошли от прокариотических клеток. Существует две наиболее признанные гипотезы происхождения эукариотических клеток и их органоидов.

Итак, по одной из гипотез образование органоидов эукариотической клетки произошло путём выпячивания клеточной мембраны. В результате внутри клетки образовывалось что-то вроде шариков, окружённых мембраной и содержащих внутри цитоплазму с захваченными соединениями и структурами. В зависимости от того, что попало внутрь, сформировались разные органоиды.

Эта гипотеза объясняет наличие 2 мембран в оболочке ядра, митохондрий и хлоропластов. Она встречается с трудностями в объяснении различий в деталях процесса биосинтеза белка в корпускулярных органеллах и цитоплазме эукарио­тической клетки.

Однако на сегодняшний день в научном мире основной гипотезой происхождения эукариот признается симбиогенез.

Исходя из неё, эукариотическая клетка возникла путём симбиоза ― сожительства различных существ.

То есть путём столкновения первичной клетки и органоидов, которые сформировались отдельно от неё. Другими словами, согласно этой гипотезе хлоропласты и митохондрии, были когда-то свободноживущими прокариотическими клетками, а органоидами они стали в процессе симбиоза.

Доказательствами теории симбиогенеза служат существующие простейшие (одноклеточные эукариотические организмы), у которых нет митохондрий или хлоропластов. Зато вместо них в цитоплазме поселяются прокариоты-симбионты, выполняющие соответствующие функции.

Этот факт, а также схожесть системы биосинтеза белка митохондрий и пластид с прокариотами рассматриваются как доказательства симбиогенеза.

Доказательством также служит то, что митохондрии и хлоропласты размножаются самостоятельно, они никогда не строятся клеткой с нуля.

Действительно, хлоропласты и митохондрии современных клеток имеют собственную ДНК и способны воспроизводиться. В отличие от линейных молекул, хлоропластная ДНК и митоходриальная ДНК представляют собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу.

По строению РНК митохондрий сходны с РНК пурпурных бактерий, а РНК хлоропластов сходны с РНК цианобактерий. 

Ещё одна гипотеза происхождения эукариотических клеток ― гипотеза прогинота (прародителя)

Согласно этой гипотезе, от общего гипотетического предка, получившего название "прогенот", эволюционировали три различные ветви прокариот: эукариоты, эубактерии и архебактерии.

К такому заключению учёные пришли, сравнивая последовательность нуклеотидов в рибосомных РНК. Поскольку генетический код во всех трёх группах один и тот же, была выдвинута гипотеза, что они имеют общего предка.

Предполагается, что эубактерии и архебактерии могли произойти от прогенота.

А современный тип эукариотической клетки, по-видимому, возник в результате симбиоза древнего эукариота (тоже произошедшего от прогенота) с эубактериями.

Однако, каким бы путём ни возникла клетка, важным ароморфозом её эволюции было обособление ядра. Именно появление клетки с ядром и цитоплазмой привело к мощному ускорению биологической эволюции.

Существует четыре гипотезы, объясняющие появление ядерной оболочки:

1.     гипотеза впячивания клеточной мембраны;

2.     эндоспоровая гипотеза;

3.     симбиотическая гипотеза;

4.     гипотеза слияния клеточных выростов.

Поскольку все перечисленные гипотезы имеют сильные и слабые стороны, а также во многом не исключают положения друг друга, то, на наш взгляд, в происхождении структур эукариотических клеток могло сыграть роль сочетание множества факторов, описываемых разными гипотезами.

Итак, химическая эволюция за три с половиной миллиарда лет привела лишь к образованию многомолекулярных систем.

А биологическая эволюция всего за полтора миллиарда лет породила не только многообразный мир современных флоры и фауны, но и высший продукт материи ― мыслящего человека.  

videouroki.net

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *