ТЕМА: ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ.

Изучение характера и способов передачи признаков потомству началось в 17 веке, (когда были проведены первые опыты при гибридизации у растений нем. учёным Кельрейтером, который обнаружил у гибридов первого поколения признаки вегетативной крепости, сейчас это явление получило названиегетерозис. Анг. селекционер Найт обратился к опытам по скрещиванию гороха и установил, что признаки одного родителя преобладают у гибридов F1 и далее в поколениях проявляются ранее скрытые признаки, поэтому он сделала вывод о том, что наследственность дискретна. Фр. учёный Ноден применил метод количественного подсчёта, но закономерность установить не смог, так как изучал наследование нескольких признаков сразу).

Механизмы и закономерности наследования были вскрыты Г. Менделем. (родился в 18822 г. в Моравии. Его отец был садоводом и привил сыну интерес к селекционному делу. После 6 классов гимназии, из-за материальных трудностей учиться дальше не смог и попал в монастырь, где принял сан. В монастыре Мендель изучал богословие (монастыри в то время способствовали возрождению чешской культуры, а монахи были одновременно преподавателями) и одновременно проявил интерес к исследовательской работе. Первые 2 года Мендель проводил опыты по определению чистоты сортов гороха, а затем в течение 8 лет изучал наследование 7 пар признаков.) В 1865 году он публикует работу «Опыты над растительными гибридами». Умер Мендель за 16 лет до всеобщего признания его работ.

В 1900 году одновременно и независимо друг от друга голландец Де Фриз ан энотере, немец Корренс на маке, австриец Чермак на дурмане обнаружили те же закономерности, что и Г. Мендель, однако приоритет всё же остался за Менделем.

Главная заслуга Менделя в том, что он установил закономерности наследования с помощью гибридологического метода (характеристика приведена в методах генетики).

Мендель очень удачно выбрал объект – горох:

- неприхотлив;

- легко выращивается;

- даёт многочисленное потомство;

- самоопыляющееся растение;

- возможно искусственное опыление;

- отличается большим количеством альтернативных признаков.

Наследственность проявляется в способности организма передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение. Материальной единицей наследственности являются гены, расположенные у прокариот в нуклеоиде, а у эукариот — в генетическом материале ядра и двумембранных органелл. Совокупность генов организма называют генотипом. Именно он обуславливает развитие большинства его признаков.

Изменчивость — это способность организмов приобретать новые признаки под действием условий среды. Различают генотипическую и фенотипическую изменчивость.

Задание:1.Составить конспект по теме.2.Подготовка сообщения:1. Наследственные болезни человека, их причины и профилактика.

ТЕМА: ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЧИВОСТИ

Генотипическая (наследственная) изменчивость затрагивает наследственную информацию организма и проявляется в двух формах: мутационной и комбинативной. В основе комбинативной изменчивости лежат половой процесс, кроссинговер и случайный характер встреч гамет в процессе оплодотворения. Это создаёт огромное разнообразие генотипов. Мутационная связана с возникновением мутаций, которые могут затрагивать как отдельные гены, так и целые хромосомы или даже весь их набор. В зависимости от природы возникновения мутации делят на спонтанные и индуцированные. Мутации делят на соматические и генеративные в зависимости от типа клеток, в которых они возникают. Наблюдения показывают, что многие мутации вредны для организма. Лишь некоторые из них могут оказаться полезными. Вещества и воздействия, приводящие к возникновению мутаций, называются мутагенными факторами, или мутагенами.

Фенотипическая (ненаследственная, или модификационная) изменчивость связана с возникновением модификационных изменений признаков организма, не затрагивающих его геном. Исследования модификационной изменчивости доказывают, что наследуется не сам признак, а способность проявлять этот признак в определённых условиях. Модификационная изменчивость не имеет эволюционного значения, т. к. не связана с образованием новых генов. Так, размеры листьев одного дерева варьируют в довольно широких пределах, хотя генотип их одинаков. Если листья расположить в порядке нарастания или убывания их длины, то получится вариационный ряд изменчивости данного признака.

 

Хромосомная теория наследственностиТ. Морган с учениками сформулировал хромосомную теорию

наследственности в начале XX в. Основные её положения:1. Гены находятся в хромосомах, располагаются в них линейно на

определённом расстоянии друг oi друга и не перекрываются.2. Гены, расположенные в одной хромосоме, относятся к одной

группе сцепления. Число групп сцепления соответствует гаплоидному числу хромосом.

3. Признаки, гены которых находятся в одной хромосоме, наследуются сцепленно.

4. В потомстве гетерозиготных родителей новые сочетания генов, расположенных в одной паре хромосом, могут возникать в результате кроссинговера.

5. Частота кроссинговера, определяемая по проценту кроссоверных особей, зависит от расстояния между генами.

6. На основании линейного расположения генов в хромосоме и частоты кроссинговера как показателя расстояния между генами можно построить карты хромосом.

Задание:

1.Составить конспект по теме.

2.Анализ фенотипической изменчивости.

ТЕМА: ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ, ЖИВОТНЫХ И МИКРООРГАНИЗМОВ

ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИСелекция – наука о выведении новых и совершенствовании

существующих сортов культурных растений, пород домашних животных и штаммов микроорганизмов, соответствующих потребностям человека.

Сорт, порода и штамм – совокупность особей, искусственно созданная человеком, которая характеризуется определенными наследственными особенностями: продуктивностью, морфологическими и физиологическими признаками.

Теоретической основой селекции является генетика, разрабатывающая проблемы наследственной изменчивости, системы скрещивания и отбора.

Создателем современной генетической основы селекции является Н. И. Вавилов.

Важнейшей задачей селекции является исследование закономерностей эволюции домашних животных и возделываемых растений.

По выражению Н. И. Вавилова, селекция – это эволюция, управляемая человеком.

Перед селекционерами стоит задача создания высокопродуктивных сортов и пород, дающих продукцию высокого качества, пригодных для механизированного возделывания и уборки, способных максимально использовать создаваемые условия внешней среды (свет, тепло, вода, удобрения, СО2 и т.д.) и обладающих другими необходимыми технологическими качествами (при транспортировке, хранении и переработке).

Основные (традиционные) методы селекции – гибридизация и отбор.Современные генетико-селекционные методы:- отдаленная и внутривидовая гибридизация,- экспериментальный (индуцированный) мутагенез,- полиплоидия,- гетерозис,- клеточная и генная инженерия (биотехнология) и т.д. позволяют

создать новые формы с исключительно высоким уровнем продуктивности.Селекционный процесс включает в себя поиск исходного материала и

выделения образцов с наибольшей выраженностью признака.ЦЕНТРЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙАкадемик Н. И. Вавилов указывал, что для успешной работы по

созданию сортов и пород следует изучать и учитывать исходное сортовое и видовое разнообразие растений и животных, их генетическое разнообразие. Обобщив огромный материал, собранный в результате многочисленных экспедиций, Н. Вавилов внес выдающийся вклад в развитие представления о центре происхождения культурных растений, которые совпадают с древними очагами мирового земледелия.Название центра Одомашненные растения1. Индонезийско-индокитайский (южноазиатский)

Бананы, сахарная пальма, сахарный тростник, огурцы, баклажан.

2. Китайско-японский (восточноазиатский)

Рис, просо, соя, шелковица, слива, вишня, чай.

3. Переднеазиатский (юго-западный)

Пшеница, рожь, ячмень, овес, чечевица.Морковь, лен, миндаль, виноград.

4. Средиземноморский Оливковое дерево, капуста, брюква, свекла.

5. Африканский Бананы, арбуз, кофе, твердые сорта

пшеницы.6. Южноамериканский Фасоль, томат, арахис, ананас,

картофель, хинное дерево.

7. Центральноамериканский Кукуруза, фасоль, тыква, табак, какао, красный перец, длинноволокнистый хлопчатник

СЕЛЕКЦИЯ РАСТЕНИЙ Методы

Выбор исходного Гибридизация (скрещивание) Искусственный отборМатериала (желательно из центров Межлинейная Массовый

Индивидуальный многообразия) гибридизация (по фенотипу) (по генотипу) (гетерозис) Инбридинг Полиплоидия Отдаленная (получение и индуцированный гибридизация чистых линий: мутагенез (редька х капуста) АА; аа)

Инбридинг у растений – это принудительное самоопыление перекрестноопыляемых растений. Проводят 6-7 лет –переводят гены в гомозиготное состояние (АА; аа).

Инбридинг приводит к «депрессии», поскольку рецессивные неблагоприятные гены переходят в гомозиготное состояние:

P Аа х АаF1 АА 2Аа ааПотомство одной самоопыляемой особи называется чистой линией

(АА, аа).В селекции растений часто применяют межлинейную гибридизацию –

перекрестное опыление между разными самоопыляющимися линиями (т.е. чистыми линиями).

При этом возникает эффект гетерозиса, или гибридной мощи, т.е. гибриды F1 по ряду признаков часто превосходят исходные родительские формы. Отмечается повышенная жизнеспособность F1.

Эффект гетерозиса объясняется переводом рецессивных генов в гетерозиготное состояние, в котором они не оказывают отрицательного влияния на жизнеспособность

организма.Эффект гетерозиса в последующих поколениях при половом

размножении снижается и сохраняется при вегетативном.

Полиплоидия – кратное увеличение числа хромосом относительно гаплоидного набора. Полиплоиды отличаются повышенной продуктивностью. Многие культурные растения являются полиплоидами.

Для получения полиплоидов воздействуют на половые клетки растений мутагенами, разрушающими веретено деления (например, колхицин) при этом образуются три-,

тетраплоидные и т.д. формы.Отдаленная гибридизация позволяет в одном организме совместить

признаки разных родов и видов. Гибриды F1 обычно бесплодны. Советский ученный Г. Карпеченко разработал способ преодоления бесплодия:

Схема:1. Удвоил число хромосом гибрида F1, т.е. гаметы растений были

диплоидны2n (18) х 2n (18) = 4n (36) – капустно-редечный гибрид, состоял из

диплоидныхнаборов редьки и капусты;

1. Это обеспечило нормальное протекание мейоза;2. Гаметы, которые при этом образовывались, несли по одному

гаплоидному набору редьки и капусты (9 + 9 = 18)3. Зигота после оплодотворения вновь несла 36 хромосом

(18редичных и 18 капустных).Искусственный отбор – основа селекционного процесса.Отбор может быть массовым и индивидуальным.1. Массовый отбор представляет собой выделение ряда экземпляров по

внешним признакам (по фенотипу) без проверки их генотипа. Такой сорт генетически неоднороден, отбор время от времени повторяют.

Массовый отбор для перекрестноопыляемых растений (рожь, кукуруза, подсолнечник).

2. Индивидуальный отбор (по генотипу) оценивают потомство каждого отдельно взятого растения в ряду нескольких поколений – для самоопыляемых растений (пшеницы, ячменя, гороха).

СЕЛЕКЦИЯ ЖИВОТНЫХВ селекции животных, по сравнению с селекцией растений, есть ряд

особенностей:- во-первых, для животных характерно половое размножение, поэтому

любая порода является сложной гетерозиготной системой;- во-вторых, у них позднее наступает половозрелость;- в-третьих – немногочисленное потомство;- они не размножаются вегетативно.Однако и в селекции животных используют гибридизацию и отбор, как

массовый, так и индивидуальный.Методы селекции животныхСелекционная работа Гибридизация Отбор начинается с подбора

(скрещивание) родительских пар Массовый ИндивидуальныйБлизкородственная Неродственная(инбридинг) (аутбридинг)

Переводят гены в Межвидовое гомозиготное состояние Внутривидовое (скрещиваются (скрещиваются разные разные виды) породы одного вида)

кобыла + осёл = мул пример о белой украинской свинье потомство бесплодно

Инбридинг – скрещивание между родственными особями.У перекрестно оплодотворяющихся организмов инбридинг –

скрещивание братьев с сестрами или родителей с детьми (возвратное скрещивание).

Генетическое следствие инбридинга – повышение гомозиготности потомков по различным признакам.

Инбридинг часто ведет к ослаблению и даже вырождению потомков у животных. И тем не менее инбридинг часто используется в селекции животных, т.к. дает возможность выявить и закрепить ряд наследственных признаков в потомстве за счет перевода их в гомозиготное состояние.

Отдаленная гибридизация (аутбридинг) – скрещивание форм, относящихся к разным видам, родам и т.д. При межпородных скрещиваниях рецессивные гены переходят в гетерозиготное состояние и не оказывают отрицательного действия на развитие тех или иных признаков у потомков.

Отдаленная гибридизация имеет ряд особенностей (трудность получения гибридов, а зачастую полная стерильность потомков). Основная причина полной стерильности FI связана с нарушением хода мейоза.

Пример внутривидового скрещивания:М. Иванов (советский селекционер), создавая белую степную

украинскую породу свиней, для скрещивания взял высокопродуктивного английского хряка и неприхотливую к условиям содержания плодовитую украинскую свинью.

Гибридное потомство вновь было скрещено с английскими хряками. В результате был выведен хряк Асканий I превосходного телосложения, которого он скрещивал с сестрами, дочерями, внучками и, таким образом, большинство генов было переведено в гомозиготное состояние – были получены различные чистые линии.

Отдаленная гибридизация. Межвидовое скрещивание. С глубокой древности человек использует гибрид кобылицы с ослом – мула, который отличается выносливостью и долгожительством, но, чаще всего, межвидовые гибриды стерильны, у них нарушается мейоз, что приводит к бесплодию.

СЕЛЕКЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВТрадиционная селекция микроорганизмов (в основном бактерий и

грибов) основана на экспериментальном мутагенезе и отборе наиболее продуктивных штаммов. Геном бактерий гаплоидный, любые мутации проявляются уже в первом поколении.

С помощью микробиологической промышленности получают антибиотики, аминокислоты, белки, гормоны, различные ферменты, витамины и многое другое.

Микроорганизмы используют для биологической очистки сточных вод, улучшений качеств почвы.

Новейшими методами селекции микроорганизмов, растений и животных являются клеточная, хромосомная и генная инженерия.

Генная инженерия — совокупность методик, позволяющих выделять нужный ген из генома одного организма и вводить его в геном другого организма. Растения и животные, в геном которых внедрены «чужие» гены, называются трансгенными, бактерии и грибы — трансформированными. Традиционным объектом генной инженерии является кишечная палочка.

Задание:

Составить конспект по теме.

Подготовка сообщения: Клонирование животных и проблема клонирования человека.

ТЕМА: ПРОИСХОЖДЕНИЕ И НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ.

Вопрос происхождения жизни на Земле — один из самых сложных вопросов современного естествознания, на который до настоящего времени нет однозначного ответа.

Существует несколько теорий происхождения жизни на Земле, наиболее известные из которых:

теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения; теория креационизма (или сотворения); теория стационарного состояния; теория панспермии; теория биохимической эволюции (теория А.И. Опарина).

Рассмотрим основные положения этих теорий.ТЕОРИЯ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО (СПОНТАННОГО) ЗАРОЖДЕНИЯ

Теория самопроизвольного зарождения жизни была широко распространена в Древнем мире — Вавилоне, Китае, Древнем Египте и Древней Греции (этой теории придерживался, в частности, Аристотель).

Ученые Древнего мира и средневековой Европы верили в то, что живые существа постоянно возникают из неживой материи: черви — из грязи, лягушки — из тины, светлячки — из утренней росы и т.п. Так, известный голландский ученый 17 в. Ван-Гельмонт совершенно серьезно описывал в своем научном трактате опыт, в котором он за 3 недели получил в запертом темном шкафу мышей непосредственно из грязной рубашки и горсти пшеницы. Впервые широко распространенную теорию решился подвергнуть экспериментальной проверке итальянский ученый Франческо Реди (1688). Он поместил несколько кусков мяса в сосуды и часть из них закрыл кисеей. В открытых сосудах на поверхности гниющего мяса появились белые червячки — личинки мух. В сосудах же, прикрытых кисеей, личинки мух отсутствовали. Таким образом Ф. Реди удалось доказать, что личинки мух появляются не из гниющего мяса, а из яиц, отложенных мухами на его поверхность.

В 1765 г. известный итальянский ученый и врач Ладзаро Спаланцани прокипятил в запаянных стеклянных колбах мясные и овощные бульоны. Бульоны в запаянных колбах не портились. Он сделал вывод, что под действием высокой температуры погибли все живые существа, способные вызывать порчу бульона. Однако опыты Ф. Реди и Л. Спаланцани убедили далеко не всех. Ученые-виталисты (от лат. vita - жизнь) считали, что в прокипяченном бульоне не происходит самозарождения живых существ, так как в нем разрушается особая «жизненная сила», которая не может проникнуть в запаянный сосуд, поскольку переносится по воздуху.

Споры но поводу возможности самозарождения жизни активизировались в связи с открытием микроорганизмов. Если сложные живые существа не могут самозарождаться, возможно, это могут микроорганизмы?

В связи с этим в 1859 г. французская Академия объявила о присуждении премии тому, кто окончательно решит вопрос о возможности или невозможности самозарождения жизни. Эту премию получил в 1862 г. знаменитый французский химик и микробиолог Луи Пастер. Так же как Спаланцани, он прокипятил питательный бульон в стеклянной колбе, но колба была не обычная, а с горлышком в виде 5-образной трубки. Воздух, а следовательно и «жизненная сила», могли проникать в колбу, но пыль, а вместе с нею и микроорганизмы, присутствующие в воздухе, оседали в нижнем колене 5-образной трубки, и бульон в колбе оставался стерильным (рис. 1). Однако стоило сломать горло колбы или ополоснуть стерильным бульоном нижнее колено 5-образной трубки, как бульон начинал быстро мутнеть — в нем появлялись микроорганизмы.

Таким образом, благодаря работам Луи Пастера теория самозарождения была признана несостоятельной и в научном мире утвердилась теория биогенеза, краткая формулировка которой — «все живое — от живого».

Рис. 1. Пастеровская колбаОднако, если все живые организмы в исторически обозримый период

развития человечества происходят только от других живых организмов, естественно возникает вопрос: когда и каким образом появились на Земле первые живые организмы?

ТЕОРИЯ КРЕАЦИОНИЗМА

Теория креационизма предполагает, что все живые организмы (либо только простейшие их формы) были в определенный период времени сотворены («сконструированы») неким сверхъестественным существом (божеством, абсолютной идеей, сверхразумом, сверхцивилизацией и т.п.). Очевидно, что именно этой точки зрения с глубокой древности придерживались последователи большинства ведущих религий мира, в частности христианской религии.

Теория креационизма и в настоящее время достаточно широко распространена, причем не только в религиозных, но и в научных кругах. Обычно ее используют для объяснения наиболее сложных, не имеющих на сегодняшний день решения вопросов биохимической и биологической эволюции, связанных с возникновением белков и нуклеиновых кислот, формированием механизма взаимодействия между ними, возникновением и формированием отдельных сложных органелл или органов (таких, как рибосома, глаз или мозг). Актами периодическою «сотворения» объясняется и отсутствие четких переходных звеньев от одного типа животныхк другому, например от червей к членистоногим, от обезьяны к человеку и т.п. Необходимо подчеркнуть, что философский спор о первичности сознания (сверхразума, абсолютной идеи, божества) либо материи принципиально не разрешим, однако, поскольку попытка объяснить любые трудности современной биохимии и эволюционной теории принципиально непостижимыми сверхъестественными актами творения выводит эти

вопросы за рамки научных исследований, теорию креационизма нельзя отнести к разряду научных теорий происхождения жизни на Земле.

ТЕОРИИ СТАЦИОНАРНОГО СОСТОЯНИЯ И ПАНСПЕРМИИ

Обе эти теории представляют собой взаимодополняющие элементы единой картины мира, сущность которой заключается в следующем: вселенная существует вечно и в ней вечно существует жизнь (стационарное состояние). Жизнь переносится с планеты на планету путешествующими в космическом пространстве «семенами жизни», которые могут входить в состав комет и метеоритов (панспермия). Подобных взглядов на происхождение жизни придерживался, в частности, основоположник учения о биосфере академик В.И. Вернадский.

Однако теория стационарного состояния, предполагающая бесконечно долгое существование вселенной, не согласуется с данными современной астрофизики, согласно которым вселенная возникла сравнительно недавно (около 16 млрд лет т.н.) путем первичного взрыва.

Очевидно, что обе теории (панспермии и стационарного состояния) вообще не предлагают объяснения механизма первичного возникновения жизни, перенося его на другие планеты (панспермия) либо отодвигая по времени в бесконечность (теория стационарного состояния).

ТЕОРИЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ (ТЕОРИЯ А.И. ОПАРИНА)Из всех теорий происхождения жизни наиболее распространенной и

признанной в научном мире является теория биохимической эволюции, предложенная в 1924 г. советским биохимиком академиком А.И. Опариным (в 1936 г. он подробно изложил ее в своей книге «Возникновение жизни»).

Сущность этой теории состоит в том, что биологической эволюции — т.е. появлению, развитию и усложнению различных форм живых организмов, предшествовала химическая эволюция — длительный период в истории Земли, связанный с появлением, усложнением и совершенствованием взаимодействия между элементарными единицами, «кирпичиками», из которых состоит все живое — органическими молекулами.

Предбиологическая (химическая) эволюцияПо мнению большинства ученых (в первую очередь астрономов и

геологов), Земля сформировалась как небесное тело около 5 млрд лет т.н. путем конденсации частиц вращавшегося вокруг Солнца газопылевого облака.

Под влиянием сил сжатия частицы, из которых формируется Земля, выделяют огромное количество тепла. В недрах Земли начинаются термоядерные реакции. В результате Земля сильно разогревается. Таким образом, 5 млрд лет т.н. Земля представляла собой несущийся в космическом пространстве раскаленный шар, температура поверхности которою достигала 4000-8000°С (смеха. 2).

Постепенно, за счет излучения тепловой энергии в космическое пространство, Земля начинает остывать. Около 4 млрд лет т.н. Земля остывает настолько, что на ее поверхности формируется твердая кора;

одновременно из ее недр вырываются легкие, газообразные вещества, поднимающиеся вверх и формирующие первичную атмосферу. По составу первичная атмосфера существенно отличалась от современной. Свободный кислород в атмосфере древней Земли, по-видимому, отсутствовал, а в ее состав входили вещества в восстановленном состоянии, такие, как водород (Н2), метан (СН4), аммиак (NH3), пары воды (Н2О), а возможно, также азот (N2), окись и двуокись углерода (СО и С02).

Восстановительный характер первичной атмосферы Земли чрезвычайно важен для зарождения жизни, поскольку вещества в восстановленном состоянии обладают высокой реакционной способностью и в определенных условиях способны взаимодействовать друг с другом, образуя органические молекулы. Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода (практически весь кислород Земли был связан в виде окислов) также является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения. Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.

Около 5 млрд лет т.п. — возникновение Земли как небесного тела; температура поверхности — 4000-8000°С

Около 4 млрд лет т.н. - формирование земной коры и первичной атмосферы

При температуре 1000°С — в первичной атмосфере начинается синтез простых органических молекул

Энергию для синтеза дают:

Температура первичной атмосферы ниже 100°С — формирование первичного океана -

Синтез сложных органических молекул — биополимеров из простых органических молекул:

простые органические молекулы — мономеры сложные органические молекулы — биополимеры

Схема. 2. Основные этапы химической эволюцииКогда температура первичной атмосферы достигает 1000°С, в ней

начинается синтез простых органических молекул, таких, как аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, простые сахара, многоатомные спирты, органические кислоты и др. Энергию для синтеза поставляют грозовые разряды, вулканическая деятельность, жесткое космическое излучение и,

наконец, ультрафиолетовое излучение Солнца, от которого Земля еще не защищена озоновым экраном, причем именно ультрафиолетовое излучение ученые считают основным источником энергии для абиогенного (т.е. проходящею без участия живых организмов) синтеза органических веществ.

Признанию и широкому распространению теории А.И. Опарина во многом способствовало то, что процессы абиогенного синтеза органических молекул легко воспроизводятся в модельных экспериментах.

Возможность синтеза органических веществ из неорганических была известна с начала 19 в. Уже в 1828 г. выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество — мочевину из неорганическою — циановокислого аммония. Однако возможность абиогенного синтеза органических веществ в условиях, близких к условиям древней Земли, была впервые показана в опыте С. Миллера.

В 1953 г. молодой американский исследователь, студент- дипломник Чикагского университета Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в нес электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода метана СН4, аммиака NH, и паров воды Н20 (рис. 3). Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органические кислоты (янтарная, молочная, уксусная, гликоколовая), у-оксимасляная кислота и мочевина. При повторении опыта С. Миллеру удалось получить отдельные нуклеотиды и короткие полинуклеотидные цепочки из пяти-шести звеньев.

Рис. 3. Установка С. МиллераВ дальнейших опытах по абиогенному синтезу, проводимых

различными исследователями, использовались не только электрические разряды, но и другие виды энергии, характерные для древней Земли, — космическое, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения, высокие

температуры, присущие вулканической деятельности, а также разнообразные варианты газовых смеси, имитирующих первичную атмосферу. В результате был получен практически весь спектр органических молекул, характерных для живого: аминокислоты, нуклеотиды, жироподобные вещества, простые сахара, органические кислоты.

Более того, абиогенный синтез органических молекул может происходить на Земле и в настоящее время (например, в процессе вулканической деятельности). При этом в вулканических выбросах можно обнаружить не только синильную кислоту HCN, являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов, но и отдельные аминокислоты, нуклеотиды и даже такие сложные по строению органические вещества, как порфирины. Абиогенный синтез органических веществ возможен не только на Земле, но и в космическом пространстве. Простейшие аминокислоты обнаружены в составе метеоритов и комет.

Когда температура первичной атмосферы опустилась ниже 100°С, на Землю обрушились горячие дожди и появился первичный океан. С потоками дождя в первичный океан поступали абиогенно синтезированные органические вещества, что превратило его, но образному выражению английского биохимика Джона Холдейна, в разбавленный «первичный бульон». По-видимому, именно в первичном океане начинаются процессы образования из простых органических молекул — мономеров сложных органических молекул — биополимеров (см. рис. 2).

Однако процессы полимеризации отдельных нуклеогидов, аминокислот и Сахаров — это реакции конденсации, они протекают с отщеплением воды, следовательно, водная среда способствует не полимеризации, а, напротив, гидролизу биополимеров (т.е. разрушению их с присоединением воды).

Образование биополимеров (в частности, белков из аминокислот) могло происходить в атмосфере при температуре около 180°С, откуда они смывались в первичный океан с атмосферными осадками. Кроме того, возможно, на древней Земле аминокислоты концентрировались в пересыхающих водоемах и полимеризовались в сухом виде под действием ультрафиолетового света и тепла лавовых потоков.

Несмотря на то что вода способствует гидролизу биополимеров, в живой клетке синтез биополимеров осуществляется именно в водной среде. Этот процесс катализируют особые белки-катализаторы — ферменты, а необходимая для синтеза энергия выделяется при распаде аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ. Возможно, синтез биополимеров в водной среде первичного океана катализировался поверхностью некоторых минералов. Экспериментально показано, что раствор аминокислоты аланина может полимеризоваться в водной среде в присутствии особого вида глинозема. При этом образуется пептид полиаланин. Реакция полимеризации аланина сопровождается распадом АТФ.

Полимеризация нуклеотидов проходит легче, чем полимеризация аминокислот. Показано, что в растворах с высокой концентрацией солей

отдельные нуклеотиды самопроизвольно полимеризуются, превращаясь в нуклеиновые кислоты.

Жизнь всех современных живых существ — это процесс непрерывного взаимодействия важнейших биополимеров живой клетки — белков и нуклеиновых кислот.

Белки — это «молекулы-рабочие», «молекулы-инженеры» живой клетки. Характеризуя их роль в обмене веществ, биохимики часто используют такие образные выражения, как «белок работает», «фермент ведет реакцию». Важнейшая функция белков- каталитическая. Как известно, катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами в конечные продукты реакции не входят. Бачки-катализаторы называются ферментами. Ферменты в согни и тысячи раз ускоряют реакции обмена веществ. Обмен веществ, а значит, и жизнь без них невозможны.

Нуклеиновые кислоты — это «молекулы-компьютеры», молекулы — хранители наследственной информации. Нуклеиновые кислоты хранят информацию не обо всех веществах живой клетки, а только о белках. Достаточно воспроизвести в дочерней клетке белки, свойственные материнской клетке, чтобы они точно воссоздали все химические и структурные особенности материнской клетки, а также свойственный ей характер и темпы обмена веществ. Сами нуклеиновые кислоты также воспроизводятся благодаря каталитической активности белков.

Таким образом, тайна зарождения жизни — это тайна возникновения механизма взаимодействия белков и нуклеиновых кислот. Какими же сведениями об этом процессе располагает современная наука? Какие молекулы явились первичной основой жизни — белки или нуклеиновые кислоты?

Ученые полагают, что несмотря на ключевую роль белков в обмене веществ современных живых организмов, первыми «живыми» молекулами были не белки, а нуклеиновые кислоты, а именно рибонуклеиновые кислоты (РНК).

В 1982 г. американский биохимик Томас Чек открыл автокаталитические свойства РНК. Он экспериментально показал, что в среде, содержащей в высокой концентрации минеральные соли, рибонуклеотиды спонтанно (самопроизвольно) полимеризуются, образуя полинуклеотиды — молекулы РНК. На исходных полинуклеотидных цепях РНК, как на матрице, путем спаривания комплементарных азотистых оснований образуются РНК-копии. Реакция матричного копирования РНК катализируется исходной молекулой РНК и не требует участия ферментов либо других белков.

Дальнейшие события достаточно хорошо объясняются процессом, который можно было бы назвать «естественным отбором» на уровне молекул. При самокопировании (самосборке) молекул РНК неизбежно возникают неточности, ошибки. Содержащие ошибки копии РНК снова копируются. При повторном копировании вновь могут возникнуть ошибки. В

результате популяция молекул РНК на определенном участке первичного океана будет неоднородна.

Поскольку параллельно с процессами синтеза идут и процессы распада РНК, в реакционной среде будут накапливаться молекулы, обладающие либо большей стабильностью, либо лучшими автокаталитическими свойствами (т.е. молекулы, которые быстрее себя копируют, быстрее «размножаются»).

На некоторых молекулах РНК, как на матрице, может происходить самосборка небольших белковых фрагментов — пептидов. Вокруг молекулы РНК образуется белковый «чехол».

Наряду с автокаталитическими функциями Томас Чек обнаружил у молекул РНК и явление самосплайсинга. В результате самосплайсинга участки РНК, не защищенные пептидами, самопроизвольно удаляются из РНК (они как бы «вырезаются» и «выбрасываются»), а оставшиеся участки РНК, кодирующие белковые фрагменты, «срастаются», т.е. самопроизвольно объединяются в единую молекулу. Эта новая молекула РНК уже будет кодировать большой сложный белок (рис. 4).

По-видимому, первоначально белковые чехлы выполняли в первую очередь, защитную функцию, предохраняя РНК от разрушения и повышая тем самым ее стабильность в растворе (такова функция белковых чехлов и у простейших современных вирусов).

Очевидно, что на определенном этапе биохимической эволюции преимущество получили молекулы РНК, кодирующие не только защитные белки, но и белки-катализаторы (ферменты), резко ускоряющие скорость копирования РНК. По-видимому, именно таким образом и возник процесс взаимодействия белков и нуклеиновых кислот, который мы в настоящее время называем жизнью.

В процессе дальнейшего развития, благодаря появлению белка с функциями фермента — обратной транскриптазы, на одно- цепочечных молекулах РНК стали синтезироваться состоящие из двух цепей молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Отсутствие у дезоксирибозы ОН-группы в 2' положении делает молекулы ДНК более стабильными по отношению к гидролитическому расщеплению в слабощелочных растворах, а именно слабощелочной была реакция среды в первичных водоемах (эта реакция среды сохранилась и в цитоплазме современных клеток).

Где же происходило развитие сложного процесса взаимодействия белков и нуклеиновых кислот? По теории А.И. Опарина, местом зарождения жизни стали так называемые коацерватные капли.

Рис. 4. Гипотеза возникновения взаимодействия белков и нуклеиновых кислот: а) в процессе самокопирования РНК накапливаются ошибки (1 — нуклеотиды, соответствующие исходной РНК; 2 — нуклеотиды, не соответствующие исходной РНК, — ошибки в копировании); б) на часть молекулы РНК за счет ее физико-химических свойств «налипают» аминокислоты (3 — молекула РНК; 4 — аминокислоты), которые, взаимодействуя друг с другом, превращаются в короткие белковые молекулы — пептиды. В результате свойственного молекулам РНК самосплайсинга незащищенные пептидами участки молекулы РНК разрушаются, а оставшиеся «срастаются» в единую молекулу, кодирующую крупный белок. В результате возникает молекула РНК, покрытая белковым чехлом (сходное строение имеют и наиболее примитивные современные вирусы, например вирус табачной мозаики)

Явление коацервации состоит в том, что в некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более кон центрирован но го раствора — коацервата. При встряхивании коацерват распадается на отдельные мелкие капельки. В воде такие капли покрываются стабилизирующей их гидратной оболочкой (оболочкой из молекул воды) — рис. 5.

Коацерватные капли обладают некоторым подобием обмена веществ: иод воздействием чисто физико-химических сил они могут избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять в окружающую среду продукты их распада. За счет избирательного концентрирования веществ из

окружающей среды они могут расти, а но достижении определенного размера начинают «размножаться», отпочковывая маленькие капельки, которые, в свою очередь, могут расти и «почковаться».

Возникшие в результате концентрирования белковых растворов коацерватные капли в процессе перемешивания под действием волн и ветра могут покрываться оболочкой из липи- дов: одинарной, напоминающей мицеллы мыла (при однократном отрыве капли от поверхности воды, покрытой липидным слоем), либо двойной, напоминающей клеточную мембрану (при повторном падении капли, покрытой однослойной липидной мембраной, на липидную пленку, покрывающую поверхность водоема — рис. 5).

Процессы возникновения коацерватных капель, их роста и «почкования», а также «одевания» их мембраной из двойного липидного слоя легко моделируются в лабораторных условиях.

Для коацерватных капель также существует процесс «естественного отбора», при котором в растворе сохраняются наиболее стабильные капли.

Несмотря на внешнее сходство коацерватных капель с живыми клетками, у коацерватных капель отсутствует главный признак живого — способность к точному самовоспроизведению, самокопированию. Очевидно, предшественниками живых клеток явились такие коацерватные капли, в состав которых вошли комплексы молекул-репликаторов (РНК или ДНК) и кодируемых ими белков. Возможно, комплексы РНК-белок длительное время существовали вне коацерватных капель в виде так называемого «свободноживущего гена», а возможно, их формирование проходило непосредственно внутри некоторых коацерватных капель.

Рис 5.Возможный путь перехода от коацерватных капель к примитивным

клешам:а) образование коацервата; 6) стабилизация коацерватных капель в

водном растворе; в) — формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану: 1 — коацерватная капля; 2 — мономолекулярный слой липида на поверхности водоема; 3 — формирование вокруг капли одинарного липидного слоя; 4 — формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану; г) — коацерватная капля, окруженная двойным липидным слоем, с вошедшим в ее состав белково-нуклеотидным комплексом — прообраз первой живой клетки

Исключительно сложный, не до конца понятный современной науке процесс возникновения жизни на Земле прошел с исторической точки зрения чрезвычайно быстро. Уже 3,5 млрд лет т.н. химическая эволюция завершилась появлением первых живых клеток и началась биологическая эволюция.

Задание:

Составить конспект по теме.

Подготовка сообщения(одного на выбор):

1.Гипотезы происхождения жизни.

2.Изучение основных закономерностей возникновения, развития и существования жизни на Земле.

3.Усложнение живых организмов в процессе эволюции. 4.Многообразие живого мира на Земле и современная его организация.

ТЕМА : МИКРОЭВОЛЮЦИЯ И МАКРОЭВОЛЮЦИЯ.

Микроэволюция – это совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях, которые приводят к изменению их генофонда и образованию новых видов. Микроэволюция является результатом интеграции микроэволюционных процессов в довольно широком историческом периоде. Термин «микроэволюция» введен Н. В. Тимофеевым-Ресовским в 1938 году для отличия эволюции мелкого и крупного масштаба.

Микроэволюция происходит на основе мутационной изменчивости под направляющим фактором естественного отбора. Естественный отбор

выступает в двух формах: движущий и стабилизирующий. Движущий отбор приводит к закономерным изменениям популяции в определенном направлении. Стабилизирующий отбор совершенствует процессы индивидуального развития особи, не меняя признаков. Он регулирует и защищает нормальное формообразование от возможных случайных нарушений. Организм становится единым целым в индивидуальном и историческом развитии. Без механизма сохранения устойчивости как стабилизирующего отбор, эволюция систем невозможна. Естественный отбор, являясь направляющим фактором, определяет направления развития биосферы. В настоящее время, согласно теории стабилизирующего отбора эволюция рассматривается как авторегуляторный процесс.

Мутации являются единственным источником возникновения новых признаков. Новые признаки позволяют организму адаптироваться к изменяющимся условиям внешней среды.Мутации поставляют элементарный эволюционный материал, но сами мутации ещё не обеспечивают эволюцию, поскольку происходят в разных направлениях.

На процесс микроэволюции влияют волны жизни, т.е. колебания численности особей популяции и изоляция популяций. Микроэволюция приводит к внутривидовым двиргенциям (расхождениям) и в итоге - к видообразованию.

Макроэволюция – это эволюционные преобразования, приводящие к формированию таксонов надвидового уровня и протекающие в течение длительного исторического периода. Макроэволюция протекает миллионы лет на уровне систематических единиц высшего порядка, поэтому она не доступна непосредственному изучению. Макроэволюция – это эволюционные преобразования, ведущие к формированию таксонов надвидового уровня: царства, типы, семейства, классы, отряды и роды. При макроэволюционном процессе проявляются закономерности филогенеза.

Термин «макроэволюция» введен Ю. А. Филипченко в 1927 году. По представлениям современных эволюционистов, макроэволюция не имеет специфических механизмов и осуществляется посредством процессов микроэволюции. Система, накапливая микроэволюционные изменения, переходит к макроэволюционным процессам. На уровне макроэволюции, обнаруживаются общие направления эволюции органического мира в виде родословного дерева.

Задание : Написать конспект конспект по теме.

Составление таблицы: Биологический прогресс и биологический регресс.

Признаки Биологический прогресс

Биологический регресс

Численность вида

Количество популяций вида

Соотношение рождаемости и

смертности в популяциях

Ареал вида

Состояние надвидовых таксонов

Информация для составления таблицы

А. Н. Северцов показал, что исторические преобразования и выработка новых приспособлений (адаптаииогенез) осуществлялись разными путями. Он выделил понятия биологического прогресса и регресса.

Билогический прогресс означает победу вида или другой таксономической группы в борьбе за существование. Признаками биологического прогресса являются:

1.повышение численности особей;2. расширение ареала;3. увеличение количества дочерних таксономических групп.Все три признака биологического прогресса связаны друг с другом.

Увеличение численности особей способствует расширению границ ареала вида, заселению новых мест обитания, что приводит к образованию новых популяций, подвидов, видов. В настоящее время в состоянии биологического прогресса находятся насекомые, птицы, млекопитающие.

Понятие биологического регресса противоположно биологическому прогрессу. Биологический регресс характеризуется:

снижением численности вследствие превышения смертности над размножением;

снижением внутривидового многообразия;3. сужением и расширением целостности ареала, который распадается

на отдельные пятна;4. подверженностью вследствие малой численности массовой ка-

тастрофической элиминации, которая может внезапно оборвать су-ществование такой группы.

А.Н. Северцов показал, что биологический прогресс не единственный, а только один из возможных путей эволюционных преобразований.

Важнейшие пути биологического прогресса по А. Н. Северцову: аро-морфоз, идиоадаптация, дегенерация.

В дальнейшем проблема путей биологической эволюции была разработана И.И. Шмальгаузеном. Он выделил следующие направления биологического прогресса: ароморфоз, алломорфоз, теломорфоз, гиперморфоз, катаморфоз, гипоморфоз.

Ароморфоз (орогенез) – морфофизио-кий, морфофунк-ный прогресс — путь эволюции, сопровождающийся повышением организации жизнедеятельности и расширением средыобитания. Арогенезы ха-рактеризуются:

1 усилением жизнедеятельности организма;2.большей дифференциацией его частей;3.большей целостностью организма, т. е. его интегрированностью;4. развитием более активных способов борьбы за существование;5.усовершенствованием нервной системы и органов чувств.Ароморфоз ведет к изменениям, дающим общий подъем организации,

всегда ведет к биологическому прогрессу. Даёт возможность перехода к новым условиям существования. Примером арогенеза-четырехкамерное сердце, два круга кровообращения, усложнение нервной системы, возникновение живорождения, вскармливание детенышей молоком, постоянная температура тела. Ароморфозы амфибий — легкие, трехкамерное сердце, два круга кровообращения, конечности, совершенствование головного мозга и органов чувств. Примерами ароморфозов архейской эры являются возникновение полового процесса, фотосинтеза, многоклеточности. В результате ароморфозов произошли типы и классы, т. е. крупные таксоны.

А. Н. Северцов подчеркивал, что ароморфоз — это, прежде всего, ус-ложнение организации, т. е. обращал внимание на морфологическую ха-рактеристику этого явления. А. Н. Северцов и затем И. И. Шмальгаузен

показали более широкое значение ароморфозов, т. е. дали ему экологоморфологическое толкование.

Аллогенез (алломорфоз, идиоадаптаиия) — путь возникновения част-ных приспособлений при смене условий обитания. В отличие от ароморфо-зов при аллогенезе прогрессивное развитие организма происходит без усложнения организации, общего подъема энергии жизнедеятельности организма. Аллогенезы ведут к увеличению видового многообразия, бы-строму повышению численности. Например, распространение млекопи-тающих не только в различных географических зонах от тропиков до арк-тических пустынь, но и освоение ими различных условий среды (суша, вода, почва) снизило конкуренцию между видами за пищу, места обитания, при этом уровень организации остался прежним. В результате идиоадаптации возникают виды, роды, семейства, отряды, т.е. таксоны более низкого ранга. Дивергенция, конвергенция, параллелизм осуществляются путем идиоадаптации.

Телогенез (теломорфоз) — узкая специализация к ограниченным условиям существования без изменения уровня организации. Это особая форма аллогенезов. Например, хамелеоны, ленивцы, двоякодышащие рыбы, черепахи, дятлы имеют приспособление к частным условиям обитания. Из-менение среды при телогенезе делает организмы нежизнеспособными и ведет к их элиминации.

Гиперморфоз (гипергенез) — переразвитие организмов в каком-либо направлении с нарушением отношений со средой. Гипергенная эволюция протекает в две фазы. Первая фаза характеризуется возникновением крупных форм в пределах данной группы. Это способствует повышению сопротивляемости животного против хищников, т. е. способствует выживае-мости в борьбе за существование. Во второй фазе преимущества гигантизма переходят в свою противоположность. Увеличение размеров тела — это частный случай специализации телогенеза, а значит, даже незначительные изменения среды ведут к вымиранию этих форм. Например, гигантизм у динозавров, мамонтов или развитие отдельных органов у саблезубых тигров, гигантских оленей. Из современных представителей гигантов можно назвать китов, жирафов, слонов, носорогов.

Катаморфоз (катагенез, общая дегенерация) — путь упрощения органи-зации, дегенерация в связи с переходом к более простым отношениям со сре-дой. Например, у паразитических или сидячих форм животных. Переход ор-ганизмов в упрощенную среду обитания к более пассивной жизни приводит к крайней специализации и, как правило, сопровождается

морфофизиологическими изменениями, редукцией отдельных органов и систем.

Гипогенез (гипоморфоз) — частная форма катагенеза. При гипогенезе наблюдается недоразвитие организма или его органов, редукция отдельных частей, сохранение личиночных особенностей. Например, живущие воде аксолотль, протей, сирена достигают половозрелости на уровне организации личинки. Они никогда не приобретают облика взрослых наземных амфибий. Так, сирены имеют постоянные жабры, недоразвитые глаза, редуцированное число пальцев. Главные направления или пути эволюции характеризуются рядом особенностей. В настоящее время в науке нет единого мнения в вопросах о закономерностях соотношений между путями биологического прогресса.

По теории А. Н. Северцова, после арогенеза, повышающего организацию организмов, всегда наступает период частных приспособлений — идиоадаптации, иногда сопровождающиеся упрощением — дегенерацией. На основе одних и тех же арогенезов могут возникать различные «надстройки», т.е.приспособления к частным условиям (аллогенезы, телогенезы). Новый ароморфоз, по Северцову, может возникнуть от малоспециализированных форм, образовавшихся на первоначальных фазах идиоадаптивного развития;

Смена направлений в адаптивной эволюции происходит по схеме ароморфоз — идиоадаптация (ранняя) — ароморфоз.Закономерность смены фаз эволюционного процесса, характерную для всех групп организмов, называют законом А. Н. Северцова.

По Шмальгаузену, телогенез, гипергенез, катаморфоз, гипоморфоз представляют тупиковые ветви филогенеза, ведущие к вымиранию.

Смена направлений эволюции по Шмальгаузенупротекает по схеме: орогенез — аллогенез — орогенез. Согласно этому закону, новый тип или класс возникают путём арогенеза, а затем происходит его адаптивная радиация — аллогенез с последующими тупиковыми направлениями. Новый подъем организации может возникнуть от малоспециализированных форм, развивавшихся по пути аллогенеза.

А.К.Северцов ввел существенные поправки к этому закону по схеме: орогенез — аллогенез — телогенез — орогенез. Например, происхождение наземных позвоночных от кистеперых рыб из мелководных пересыхающих водоемов, птиц — от летающих рептилий.