био. Возникновение и развитие жизни на Земле
 Скачать 215.87 Kb.
|
|
зачет по теме:Возникновение и развитие жизни на Земле 2.ОПЫТЫ ФРАНЧЕСКО РЕДИ Теория самозарождения Опыт Франческо Реди состоял в доказательстве того факта, что в плотно закрытых банках, куда не могут попасть мухи, не развиваются и черви - их личинки. В таких банках мясо гниет, но не "производит" червей. Ранее Уильям Гарвей, английский медик, постулировал: "Все живое происходит из яйца". 1661 году франческо рэди провёл опыт. Он поместил кусочки мяса в несколько глубоких сосудов. Часть из них он оставил открытым, а часть прикрыл кисеей . Через несколько дней в открытых сосудах мясо кишило личинками мух, в прикрытых сосудах их не было. Следовательно, личинки появились из яиц, отложенных мухами, они зарождались из мяса, как было принято считать. Казалось бы, теория самозарождения опровергнута - точка. Но хитрые виталисты обвинили Франческо Реди в том, что закрыв банки тканью, он предотвратил доступ в них жизненной силе, и, естественно, жизнь в них не зародилась. Так что теория самозарождения пошатнулась, не более, но выстояла этот удар. 4. ГИПОТЕЗЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ 1.Теория креационизма (лат. creatio - творение) С самого раннего момента своего появления человечество наделяло природу особыми свойствами: существовал тотемизм - поклонение какому-либо животному или растению как своему мифическому защитнику. С течением времени появились монотеистические религии, в которых утверждалось, что настоящий мир создан творцом в результате акта сверхъестественного творения. За всю историю существования человечества сторонниками этой теории не было приведено ни одного подтверждающего доказательства. Справедливо отметить, что и опровергнуть эту теорию невозможно. Основополагающим моментом здесь являются не факты, а вера. 2. Гипотеза панспермии . Исследования химического состава некоторых комет показали, что в них присутствуют органические вещества -альдегиды, спирты, органические кислоты , а также аминокислоты. Очень сложные органические вещества присутствуют и в метеоритах. В Некоторых метеоритах с помощью электронного микроскопа российским ученым удалось обнаружить структуры, очень похожи на окаменевшие остатки цианобактерий и даже низших грибов, а американские исследователи нашли подобные образования в “посланцах Марса”- немногочисленных метеоритах марсианского происхождения. Эти открытия указывают на возможность существования жизни за пределами Земли и “заноса”ее на нашу планету из космоса. Но даже если это и имело место, вопрос об изначальном возникновении жизни все равно остается. 3.Гипотеза А.И. Опарина Холдейна Одним из первых в 1924 году научно пытался обосновать появление жизни на земле советский ученый Опарин, а через 5 лет в - 1929 году - Дж. Холдейн. Согласно теории Опарина, жизнь представляет собой закономерный этап эволюции химических соединений - молекулярных преобразований, их полимеризации, возникновение более сложных по строению веществ. Процессы возникновения жизни по Опарину делятся на 3 этапа: ● Возникновение органических веществ из неорганических. Образование первичного бульона ● Усложнение строения веществ (появление белков, нуклеиновых кислот). Формирование коацерватов - капель с большой концентрацией коллоида ● Возникновение самовоспроизводящихся организмов, появление в них матричного синтеза на основе РНК, затем и ДНК В результате таких преобразований из первичного бульона возникли первые прокариотические клетки. Теорию Опарина и Холдейна подверглась проверке на практике. Первые эксперименты провел С. Миллер, пытавшийся синтезировать органические вещества из неорганических. Миллер использовал колбу, в которой непрерывно циркулировали метан, аммиак, водород и угарный газ (CO) - когда-то составлявшие атмосферу Земли (кислород в ее составе отсутствовал). По итогам эксперимента в системе появились аминокислоты, сахара, жиры и даже предшественники нуклеиновых кислот. С точки зрения вероятности возникновение жизни весьма маловероятно, однако учитывая очень долгое время (1 млрд. лет от появления Земли) вероятность такого события значительно возрастает 4. Теория биопоэза На основе гипотезы биохимической эволюции Опарина — Холдейна в 1947 году английский исследователь Джон Бернал сформулировал современную теорию возникновения жизни на Земле, названную теорией биопоэза (греч. bios — жизнь и poiesis — сотворение). Она включала в себя три стадии: ● абиогенное возникновение органических мономеров; ● образование биологических полимеров; ● формирование мембранных структур и первичных организмов — пробионтов. Абиогенное возникновение органических мономеров Наша планета возникла около 4,6 млрд лет назад. Образование земной коры сопровождалось активной вулканической деятельностью. В первичной атмосфере накапливались газы — продукты реакций, происходящих в недрах Земли: двуокись углерода (СО 2 ), оксид углерода (СО), аммиак (NH 3 ), метан (СН 4 ), сероводород (Н 2 S) и многие другие. Такие газы и в настоящее время выбрасываются в атмосферу при извержениях вулканов. Вода, постоянно испаряясь с поверхности Земли, конденсировалась в верхних слоях атмосферы и вновь выпадала в виде дождей на раскалённую земную поверхность. Постепенное снижение температуры привело к тому, что на Землю обрушились ливни, сопровождавшиеся непрерывными грозами. На земной поверхности начали образовываться водоёмы. В горячей воде растворялись атмосферные газы и те вещества, которые вымывались из земной коры. В атмосфере из её компонентов под действием частых и сильных электрических грозовых разрядов, мощного ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца, и активной вулканической деятельности, которая сопровождалась выбросами радиоактивных соединений, образовывались простейшие органические вещества (формальдегид, глицерин, аминокислоты, мочевина, молочная кислота). Так как в атмосфере свободного кислорода ещё не было, эти соединения, попадая в воды древнего океана, не окислялись и могли накапливаться, усложняясь в строении и образуя концентрированный «первичный бульон» — термин, введённый А. И. Опариным Органические вещества, накапливаясь миллионы лет в воде древнего океана, образовывали концентрированный раствор, или «первичный бульон». Образование биологических полимеров и коацерватов Первый этап биохимической эволюции был подтверждён многочисленными экспериментами, а вот что происходило на следующем этапе, учёные могут только предполагать, опираясь на знания химии и молекулярной биологии. По-видимому, образовавшиеся простейшие органические вещества взаимодействовали друг с другом и с неорганическими соединениями, попадающими в водоёмы. Жирные кислоты, вступая в реакцию со спиртами, образовывали липиды, которые формировали жировые плёнки на поверхности водоёмов. Аминокислоты, соединяясь друг с другом, образовывали пептиды. Важным событием этого этапа стало появление нуклеиновых кислот — молекул, способных к редупликации. Современные биохимики считают, что первыми образовывались короткие цепи РНК, которые могли синтезироваться самостоятельно, без участия специальных ферментов. Образование нуклеиновых кислот и взаимодействие их с белками стало необходимой предпосылкой для возникновения жизни, в основе которой лежат реакции матричного синтеза и обмен веществ. А. И. Опарин считал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря особенностям строения эти молекулы способны образовывать сгустки — коллоидные комплексы, притягивающие к себе молекулы воды. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, образовывали коацерваты — структуры, обособленные от остальной массы воды. Коацерваты были способны обмениваться веществами с окружающей средой и избирательно накапливать различные соединения. Поглощение коацерватами ионов металлов приводило к образованию ферментов. Белки в коацерватах защищали нуклеиновые кислоты от разрушающего действия ультрафиолета. Системы такого рода уже обладали некоторыми признаками живого, но для превращения их в первые живые организмы им не хватало биологических мембран. Коацерват (лат. coacervatio — собирание в кучу, накопление) — сгустки с большей концентрацией коллоида (растворённого вещества), чем в остальной части раствора того же химического состава. Коацерваты образуются в концентрированных растворах белков и нуклеиновых кислот. Они способны адсорбировать различные вещества. Из раствора внутрь коацерватных капель поступают химические соединения, которые преобразуются в результате реакций, проходящих в коацерватных каплях, и выделяются в окружающую среду. Понятие «коацерват» имеет важное значение в ряде гипотез о происхождении жизни на Земле. Формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов) Как могли сформироваться мембраны на ранних этапах возникновения жизни? Поверхности водоёмов были покрыты жировыми плёнками. Длинные неполярные углеводородные «хвосты» липидных молекул торчали наружу, а заряженные «головки» были обращены в воду. Растворённые в водоёмах молекулы полипептидов и нуклеиновых кислот могли адсорбироваться на поверхности липидной плёнки благодаря электрическому притяжению к заряженным «головкам». При порывах ветра поверхностная плёнка изгибалась, от неё могли отрываться пузырьки. Такие пузырьки поднимались ветром в воздух, а когда падали на поверхность водоёма, то покрывались вторым липидным слоем. Это происходило за счёт гидрофобных взаимодействий между обращёнными друг к другу неполярными «хвостами» липидов. Такая двуслойная липидная оболочка удивительным образом напоминает нам современную биологическую мембрану и, возможно, могла быть её прародительницей. Для дальнейшей эволюции жизни важны были те пузырьки, которые содержали в себе коацерваты с белково-нуклеиновыми комплексами. Биологические мембраны обеспечивали защиту и независимое существование коацерватам, создавая упорядоченность биохимических процессов. В дальнейшем сохранялись и превращались в простейшие живые организмы только те структуры, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизводству. Так возникли пробионты (или протобионты : от греч. protos — первый и bios — жизнь) — примитивные гетеротрофные организмы, питавшиеся органическими веществами «первичного бульона». Произошло это 3,5—3,8 млрд лет назад. Закончилась химическая эволюция, наступило время биологической эволюции живой материи. Пробионты, или протобионты (греч. protos — первый и bios — жизнь), — доклеточные образования, обладающие некоторыми свойствами клеток: способностью к обмену веществ, самовоспроизведением и др. Пробионты были гетеротрофными организмами, потреблявшими органические вещества из «первичного бульона». Очевидно, они были анаэробными гетеротрофами, поскольку древняя атмосфера, как считают исследователи, не содержала кислорода. Эти гипотетические первичные организмы, содержавшие макромолекулы белков и нуклеиновых кислот и приобретшие способность к самовоспроизводству, как считают учёные, положили начало всему современному разнообразию жизни на Земле. 6. РОЛЬ ДНК И РНК В ОБРАЗОВАНИИ СИСТЕМ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Нуклеиновые кислоты, в отличие от белков, способны к Репликации , то есть созданию новых копий, неотличимых от материнских молекул. Открытие Т.Чеком 1982-м году каталитической активности РНК позволяет предположить, что молекулы РНК могли быть первыми биополимерами на Земле. Также были проведены эксперименты, показывающие, что в среде, содержащей в высокой концентрации минеральные соли и рибонуклеотиды, спонтанно синтезируется олигосахариды. Также спонтанно, путём спаривания комплементарных оснований, могут образовываться РНК-копии. Обе эти реакции реакции протекают без участии ферментов или других белков. Однако подавляющее большинство современных живых организмов предпочитают хранить свою генетическую информацию не в РНК, а в ДНК. Почему же ДНК лучше чем РНК, приспособлена для долговременного хранения информации? Из-за отсутствия гидроксильной группы в 2’-положении дезоксирибозы молекулы ДНК, в отличие от РНК, устойчивы к гидролитическому расщеплению в слабощелочных водных растворов. А именно такие растворы были в первичных водоемах и сохранились в современных клетках. Кроме того, наличие двух комплиментарных цепей облегчает процесс Репликации и исправление ошибок, возникающих в любой из двух цепочек ДНК. Возможно что благодаря активности древнего белка, близкого современному ферменту – обратной транскриптазе способного синтезировать ДНК, используя в качестве матрицы и образовались первые молекулы ДНК на Земле. 8. ИЗУЧЕНИЕ ИСТОРИИ ЗЕМЛИ ,ПАЛЕОНТОЛОГИЯ Палеонтология-наука, изучающая историю живых организмов на Земле по сохранившимся в осадочных горных породах остаткам,отпечаткам и следам их жизнедеятельности. Основатель- Ж.Кувье. От населявших когда-то Землю существ остались так называемые окаменелости-тела или отдельные части организмов , в которых органическое вещество с течением времени заменилось на минеральные соли. Как показывают эксперименты, в определенных условиях, например, в воде минерального источника, для окаменения требуется совсем немного времени, иногда всего несколько дней. При этом погибший организм не успевает разложиться и потерять свою структуру.В Результате отложившиеся минералы с большей точностью повторяют мельчайшие детали строения органов, а иногда даже и отдельных клеток. В Течение долгого времени палеонтология имела делаю только с относительно крупными окаменелостями, которые видны невооруженным глазом. Поэтому считалось, что в течение миллиардов лет земля была безжизненна, так как в самых древних осадочных породах таких окаменелостей не было обнаружено. Сейчас палеонтология вступила в новый период своего развития. Применение современных методов исследования, таких, как электронная микроскопия, компьютерная томография, методов молекулярной биологии позволило установить, что жизнь на Земле намного древнее , чем представлялось ранее. Изучение тончайших шлифов древних Осадочных пород с помощью электронного микроскопа позволило обнаружить окаменевшие остатки древних микроскопических обитатели земли – бактерий и одноклеточных водорослей. На основании знаний о закономерностях превращений с течением времени различных органических веществ был сделан вывод о существование богатой сферы в те времена, от которых не осталось никаких окаменелостей. Достижения молекулярной биологии позволили реконструировать события, происходившие миллиарды лет назад . Это оказалось возможным потому, что в молекулах ДНК остаются записи прошлого – следы произошедших мутации, разделивших революционные пути когда-то родственных организмов. Поскольку скорость мутации относительно постоянный величина, их количество может служить молекулярными часами отсчитывающими время прошедшее с момента существования последнего общего предка сравниваемых организмов. Разработка методов определения первичной последовательности нуклеотидов нуклеиновых кислотах и компьютерных программ для обработки полученных результатов позволяет строить родословные для самых далёких друг от друга организмов. Использование этих методов того возможность понять пути возникновения эукариотических организмов, животных растений и Грибов в отдельных случаях оказывается возможным прямой анализ ДНК древних организмов, например, мелких животных, оказавшихся замурованными в коре. При этом органические молекулы оказываются законсервированными, защищенными от разложения и замещения минеральными солями. Самая древняя исследованная ДНК имеет возраст около 500 млн лет .В Более молодых ископаемых при определённых условиях могут сохраниться значительные участки ДНК, доступные для анализа. 10. РАЗВИТИЕ ЖИЗНИ В ПРОТЕРОЗОЕ. СИМБИОТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОКАРИОТ Симбиогенез — основная гипотеза происхождения эукариот Существует несколько гипотез о путях возникновения эукариотических клеток. Наиболее популярная — симбиотическая гипотеза (симбиогенез). Согласно ей, эукариоты произошли в результате объединения в одной клетке разных прокариот, которые сначала вступили в симбиоз, а затем, все более специализируясь, стали органоидами единого организма-клетки. Как минимум симбиотическое происхождение имеют митохондрии и хлоропласты (пластиды вообще). Произошли они от бактериальных симбионтов. Клеткой-хозяином мог быть относительно крупный анаэробный гетеротрофный прокариот, похожий на амебу. В отличие от других, он мог приобрести способность питаться путем фаго- и пиноцитоза, что позволяло ему захватывать других прокариот. Они не все переваривались, а снабжали хозяина продуктами своей жизнедеятельности). В свою очередь, получали от него питательные вещества. Митохондрии произошли от аэробных бактерий и позволили клетке-хозяину перейти к аэробному дыханию, которое не только намного эффективней, но и облегчает существование в атмосфере, содержащей достаточно большое количество кислорода. В такой среде аэробные организмы получают преимущество над анаэробными. Позже в некоторых клетках поселились похожие на ныне живущих синезеленых водорослей (цианобактерий) древние прокариоты. Они стали хлоропластами, дав начало эволюционной ветви растений. Кроме митохондрий и пластид симбиотическое происхождение могут иметь жгутики эукариот. В них превратились симбионты-бактерии наподобие современных спирохет, имеющих жгутик. Считается, что в последствии из базальных тел жгутиков произошли центриоли, столь важные структуры для механизма клеточного деления эукариот. Эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, пузырьки и вакуоли могли произойти от наружной мембраны ядерной оболочки. С другой точки зрения, некоторые из перечисленных органелл могли возникнуть путем упрощения митохондрий или пластид. Во многом неясным остается вопрос происхождения ядра.? Количество ДНК в ядре современных эукариот во много раз превышает его количество в митохондриях и хлоропластах. Возможно часть генетической информации последних со временем переместилась в ядро. Кроме того в симбиотической гипотезе происхождения эукариот не все так однозначно с клеткой-хозяином. Им мог и не быть один вид прокариот. Используя методы сравнения геномов, ученые делают вывод, что клетка-хозяин близок к археям, при этом сочетает в себе признаки архей и ряда неродственных групп бактерий. Отсюда можно сделать вывод, что появление эукариот происходило в сложном сообществе прокариот. При этом процесс скорее всего начался с метаногенной археи, вступавшей в симбиоз с другими прокариотами, что было вызвано необходимостью обитания в кислородной среде. Появление фагоцитоза способствовало притоку чужих генов, а ядро образовалось для защиты генетического материала. Молекулярный анализ показал, что различные белки эукариот происходят от разных групп прокариот. Протерозой. ( ранняя жизнь ) 2,7 млрд лет назад Содержание кислорода в атмосфере ещё долго оставалось низким, однако появились предпосылки бурного развития аэробных организмов в дальнейшем. Около 2 млрд лет назад содержание кислорода достигло точки Пастера – около 1% от его содержания в современной атмосфере. Учёные считают, что такая концентрация кислорода достаточна для того, чтобы обеспечить устойчивую жизнедеятельность одноклеточных аэробных организмов. Увеличение содержания кислорода в атмосфере способствует совершенствованию клеточного дыхания, возникновению окислительного фосфорилирования . Окислительное фосфорилирование, будучи значительно более эффективным способом утилизации энергии углеводов, чем анаэробных гликолиз, в свою очередь, ввело к процветанию и увеличению разнообразия аэробных организмов. Накопление кислорода в атмосфере сделало принципиально возможной жизнь на суше, защитив её от смертоносного жёсткого ультрафиолета. 12.РАЗВИТИЕ ЖИЗНИ В ПАЛЕОЗОЕ. ДЕВОН.КАРБОН.ПЕРМЬ.ВАЖНЕЙШИЕ АРОМОРФОЗЫ В девонском периоде(60 ) продолжалось сокращение площади площади Морей . Климат стал более континентальным, в горных районах наблюдались оледенение. В морях господствующее положение заняли хрящевые рыбы, появились и костные рыбы. Продолжилось освоение суши членистоногими, возникли первые не летающие насекомые. Появились и первые земноводных, которые по-видимому, вели водный образ жизни, хотя могли переползать по суше. К Концу девонского периода на поверхности суши стали возникать первые леса. Они состояли из споровых растений папоротникообразных, плаунов, хвощей. В карбоне(75-65) значительное потепление и увлажнение климата обеспечило широкое распространение тропических лесов, образованных древовидными папоротниками, гигантскими древовидными хвощами и плаунами . Именно на месте этих лесов из остатков отмерших растений возникли впоследствии крупные каменноугольные бассейны, что и дало название этому периоду. В этом периоде появились и первые голосеменные растения. Их семя было покрыто оболочкой, предохранявшей от высыхания. Размножение с помощью семян сделало процесс размножения независимым от водной среды. Этот ароморфоз дал возможность дальнейшего освоения Суши. Леса каменноугольного периода были уже населены летающими насекомыми, похожими на стрекоз. В отложениях этого периода были найдены и окаменевшие остатки онихофр , похожих на больших гусениц животных, сочетавших себе признаки как кольчатых червей, так и членистоногих. Carbon – время расцвета амфибий. Однако из-за тесной связи с водой земноводных не могли продвинуться вглубь суши и обитали по берегам водоемов. В позднем карбоне произошло важнейшее событие – появились первые пресмыкающиеся. Они оказались более приспособлены к жизни на суше – усовершенствование кровеносной системы и легочной дыхания дало возможность защитить кожу от высыхания с помощью роговых Покровов; яйца, покрыты плотной Роговой оболочкой, защищали зародышей от воздействия окружающей среды. В пермском периоде(55), отличавшемся более холодным и сухим климатом, чем карбон, вымерло большое количество морских животных, уменьшилось разнообразие амфибий, пресмыкающиеся стали основными хозяевами суши среди позвоночных. Из растений широкое распространение получили голосеменные. Пермским периодом завершается палеозойская эра. 14. РАЗВИТИЕ ЖИЗНИ В КАЙНОЗОЕ. ПАЛЕОГЕН,НЕОГЕН,АНТРОПОГЕН. кайнозой- новая жизнь (65млн лет ) в палеогене(42) господствующее положение заняли млекопитающие, потеснив пресмыкающихся. Птицы стали господствовать в воздухе. В течение этого периода формируется большинство современных групп млекопитающих – насекомоядные, хищные, ластоногие, Китообразные, копытные. Появились первые примитивные приматы – лемуры, а затем и настоящие обезьяны. В неогене(23,5) на фоне постепенного похолодание стали распространяться степи . Это привело к широкому распространению злаковых растений, что создало обильный источник пищи для травоядных млекопитающих. В этом периоде сформировались все современные отряды млекопитающих, появились первые человекообразные обезьяны. антропоген(1,5) – это тот геологический период в котором живём и мы. В нём выделяют два века Плейстоцен и Голоцен. Продолжительность этого периода, по разным оценкам, составляет от 0,7 до 2млн лет из них на долю голоцена Приходится 20 000 последних лет. В Начале плейстоцена ещё было довольно тепло, территории Евразии и северной Америки сохранялся субтропический климат. В течение плейстоцена очень сильно изменился климат – четыре гигантских оледенение сменялись отступлением ледников. Во время оледенения мощные ледяные щиты закрывали поверхности земли, доходя до широты современного типа. Это привело к развитию группы Млекопитающих, приспособленых к существованию в условиях сурового климата: Мамонтов, Шерстистых носорогов,овцебыков, пещерных Львов. Образование ледников, Привело к тому, что значительная часть воды виде снега и льда была выведена из состава мирового океана. Вследствие этого значительно понизился уровень воды и образовались сухопутные мосты между Азией и северной Америкой, Европой и британскими островами и некоторыми другими территориями, которые сейчас являются островами. Такие сухопутные мосты способствовали обмену представителями флоры и фауны между этими участками. Те же самые сухопутные мосты служили и для расселение людей, которые в плейстоцене уже стали оказывать заметное влияние на облик планеты. К началу голоцена, в котором началось глобальное потепление и таяние ледников, вымерли многие крупные млекопитающие . По-видимому, этот процесс обусловлен не только изменениями климата, но и активной деятельностью человека. Около 10 000 лет назад произошла неолитическая революция – переход человека от собирательство и охоты к земледелию и скотоводства. |