Жизнь во Вселенной
TRANSCRIPT
Проблема жизни в понимании Вернадского
• Один из крупнейших учёных нашей страны• Академик Вернадский так сформулировал
проблему жизни:• Было ли когда-нибудь и где-нибудь начало
жизни и живого или жизнь и живое такие
же вечные основы космоса, какими явля-
ются материя и энергия? Характерна ли
жизнь и живое только для одной Земли
или это есть общее проявление космоса?
Когда и как возникла жизнь на Земле
• Наша планета возникла около 5 млрд. лет тому назад. Облик Земли был тогда иным. Жизни на ней не было. В атмосфере практически отсутство- вал свободный кислород. Температу- ры тоже были другими. На Землю падало много метеоритов.
После возникновения Земли начались постепенные измене- ния температуры, атмосферы и других характеристик планеты. Это была эволюция, но без участ- ия биологической составляющей. Так могла выглядеть тогда Земля
Предбиологическая эволюция
• Условия на Земле менялись, а жизни ещё не было.• Это была предбиологическая эволюция.• Постепенно на Земле появлялись всё более сложные
молекулы. Сложные органические молекулы эволюционировали.
• Так как жизни при этом ещё не возникло, то строгое научное этого процесса абиогоенная эволюция.
• По имеющимся оценкам жизнь появилась на Земле где-то около 3,5 млрд. лет тому назад.
• Однако, есть место в северных горах, где найдены следы жизни ещё более древние – 3,8 млрд. лет тому назад.
• Этот период 3,5--3,8 млрд. лет тому назад можно считать временем возникновения жизни на Земле.
• Точнее определить его мы пока не можем.
Как мы судим о возрасте жизни на нашей планете
• Изучая геологические слои мы часто находим кости, отпечатки живых существ и растений в этих слоях.
• Это позволяет нам говорить о наличии жизни на Земле в соответствующий период времени
• Отпечатки, типа того, что приведён на рисунке – это относительно близкий к нам период.• В более ранних слоях таких отпечатков нет. В этих случаях о наличии жизни обычно судят по при- сутствию осадочных пород.
Определение понятия жизнь и о том, как узнать, когда она возникла
• Этот рисунок просто фантазия.• Автор считает, что так выгляде-• ла Земля в период перед началом• биологической эволюции.• Что же произошло при
появлении жизни?• Для этого надо ответить на
вопросы о том, что такое
жизнь и откуда она появи-
лась.
Как определить, что такое жизнь
• На первый взгляд кажется достаточно очевидным, что такое жизнь. Кажется, что очень просто сказать, какие объекты являются живыми, а какие нет.
• На самом деле – это обманчивое впечатление. Нам так кажется потому, что в нашем повседневном существовании мы обращаем внимание на контакты только с высоко- организованными формами жизни.
• Низкоорганизованные формы жизни мы на практике не видим, хотя и часто сталкиваемся с ними, например при пищевых отравлениях, болезнях и т.д. Промежуточные между жизнью и не жизнью переходные формы материи уже давно исчезли на Земле.
• Именно поэтому точно определить, что такое жизнь очень и очень непросто.
Как определяли, что такое жизнь
• Самым желательным было бы написать чёткое, краткое и понятное определения понятия жизнь.
• Такие попытки люди делали уже
в античные времена. Делал их и• Аристотель. Его изображение при-
ведено справа.• Перечислить всех авторов этих
определений сложно.
В чем трудности определения жизни
• В России многие ещё помнят определение жизни, которое было дано Фридрихом Энгельсом
• В нём говорилось, что жизнь – это форма существования белковых тел. К этому ещё добавлялось кое-что об энергетическом обмене с окружающей средой.
• Это безусловно верно, но не всеобъемлюще.• Мы не уверены в том, что жизнь не может существовать и
без наличия белков.• Список недостатков приведённого определения легко
продолжить.• Практически все известные определения жизни не могут
претендовать на полноту и правильность.
Почему так трудно дать определение жизни
• Определить понятие жизни сложно, так как, несмотря на огромное количество экспериментальных и теоретических исследований мы знаем о жизни далеко не всё.
• Основных трудностей здесь две.• Первая- мы не можем создать жизнь искусственно и
поэтому ещё многого не понимаем.• Вторая трудность – это то, что нам известна жизнь только
на Земле. Это единичный случай. Никаких сравнений мы сделать не можем. Все предсказания и оценки пока что принципиально не проверяемы.
• Именно поэтому многие биологи и палеонтологи даже не хотят рассматривать этот вопрос, отдавая его в рамки философии или религии, что не всегда разумно.
• Мы должны помнить, что если не искать ответа, то случайно получить его очень трудно.
Перечисление свойств жизни
• Вместо того, чтобы стремиться дать исчерпывающее определение понятия жизнь можно пойти несколько иным путём.
• Этот путь изучения проблемы часто используется в науке.• Он состоит в выявлении и перечислении всех основных
свойств понятия. В данном случае речь идёт об основных свойствах жизни.
• В этом перечислении не должно быть ни одного лишнего свойства. Иными словами все свойства в этом перечисле- нии должны быть обязательными. Отсутствие хотя бы одного из них, должно приводить к тому, что объект с уверенностью нельзя считать живым.
• Перечисление свойств должно также обладать полнотой. Ни одно важное свойство не должно быть пропущено.
• Выполнить такое перечисление свойств очень не просто.
Основные свойства (характеристики) жизни
• Для того, чтобы сказать, что такое жизнь, надо дать определение жизни, то есть сформулировать её принципиальные признаки.
• Это оказывается крайне сложной задачей.• Мы уже говорили, что имеются разные уровни организации
биологической организации материи.• Напомним, что это: молекулярно-генетический уровень
клеточный уровень, тканевый уровень, организменный уровень, популяционный уровень, биоценотический уровень и биосферный уровень.
Эти уровни составляют иерархию.
О попытках дать научное определение понятия жизнью.
• Определение жизни должно отражать все уровни, которые были только что перечислены.
• В то же время оно должно быть справедливым для каждого из уровней в отдельности.
• Это определение должно чётко отделять живое от неживого. Оно должно включать основные характеристики (отличия) жизни и в то же самое время не включать в себя ничего лишнего.
• Опыт показывает, что это неимоверно трудная задача.• Одной из наиболее принципиальных трудностей при
решении этой задачи является то, что мы знаем только единичный случай – жизнь на Земле.
• О других возможностях возникновения и существования жизни мы можем рассуждать только гадательно.
Определение жизни по Энгельсу
• В России хорошо известно определение• Жизни данное Фридрихом Энгельсом.• Согласно этому определению• Жизнь – это форма существования
белковых тел.• Очень часто к этому добавляется
уточнение о наличии у живых
белковых структур энергетического
обмена с окружающей средой.
Ещё раз об определении жизни по Энгельсу
• В принципе в определении жизни, которое было сделано Энгельсом, нет принципиальных ошибок.
• Тем не менее, мы до сих пор не знаем, можно или нет встретить живую материю в небелковой форме.
• Это определение непродуктивно, ибо существуют тела, которые не обладают жизнью, хотя и имеют энергетический обмен с окружающей средой.
• Мы не будем больше останавливаться на этом определении.
• Скажем, однако. что практически все попытки дать определение жизни приводят к аналогичным или другим, но тоже принципиальным затруднениям.
• Всё сказанное привело к тому, что от попыток дать строгое определение понятия жизнь наука на данном этапе её развития отказалась.
О перечислении свойств жизни
• В тех случаях, когда по тем или иным причинам нельзя дать строгое определение некоего понятия идут другим путём.
• В этом случае «просто» перечисляют все свойства, которыми должно обладать это понятие.
• В список свойств должны входить все необходимые свойства. В то же время в этом списке не должно быть ни одного лишнего свойства.
• Такой подход к анализу понятия вполне обоснован.• Этот подход в чём-то более прост, чем попытка дать
строгое определение.• В то же время при реализации такого подхода количество
трудностей остаётся очень большим.• Здесь тоже возможны принципиальные осложнения.
Об основных свойствах жизни
• Перечислить все свойства жизни не очень просто.• Задачей является выделить принципиальные свойства
жизни.• Мы уделим основное внимание только этим принци-
пиальным свойствам и, сосредоточимся, главным образом, на тех из них, которые являются для нас
новыми в том смысле, что они не изучались в школьные годы.
Рассмотрение свойств и признаков живого
• Итак, первое, что мы можем сказать: Жизнь является открытой системой, которой свойственна иерархическая организация, способность к самовозобновлению, обмен веществ и тонкие регуляторные процессы.
• Без этих свойств жизнь не может существовать.• В то же самое время каждое из этих свойств в отдельности
ещё не обеспечивает наличие жизни.• В последние годы стало очевидным, что для понимания
жизни, как явления, очень важно понятие информации и установления того факта, что жизнь связана с накоплением, закреплением и передачей информации.
Об одной особенности информации
• Характерной особенностью информации, столь важной для понимания феномена жизни, является то, что в отличие, например, от энергии, информация способна легко накапливаться и увеличиваться.
• Именно это обстоятельство заставляет внимательнейшим образом изучить роль информации в процессе описания жизни, как явления.
Основные свойства живого
1. Самовозобновление. Оно основано на обмене веществом и энергией с окружающей средой, способности хранить и использовать биологическую информацию.
2. Самовоспроизведение. Оно обеспечивает преемственность между поколениями биологических систем.
3. Саморегуляция. Она основана на использовании потоков вещества, энергии и информации.
4. Динамическое равновесие химических процессов в живом организме
5. Способность к росту живого организма.
О необходимости новых определений
• Для того, чтобы с уверенностью говорить о признаках живого, нам необходимо дать определение нескольких новых понятий, которые, возможно, понятны интуитивно.
• Эти понятия в большинстве случаев в школе не изучаются.
Что такое метаболизм
• Метаболизм в широком смысле – это процесс, охватывающий усвоение пищевых веществ и построение из них организма (анаболизм), а также распад в организме веществ (катаболизм).
• Метаболизм в узком смысле – это превращение внутри клеток организма определённых веществ, после их поступления в организм. Это превращение заканчивается образованием конечных продуктов.
• Метаболизм обеспечивается сложной регуляцией процессов химического синтеза и химического распада внутри организма.
Что такое гомеостаз.
• Гомеостазом называют поддержание постоянного состояния в физиологических, а также в социальных системах.
• Гомеостаз реализуется с помощью механизмов саморегуляции, которые используют внутренние обратные связи.
• Для понимания гомеостаза важно усвоить, широко используемые, например в информатике, понятия положительной и отрицательной обратной связи.
• Пример гомеостаза – при изменении внешней температуры
температура нашего тела остаётся постоянной за счёт регуляции процессов выделения энергии внутри организма и теплоотдачи во внешнюю среду.
Что такое раздражимость
• Раздражимость – это реакция организма на изменения свойств внешней среды.
• Раздражимость состоит в получении информации от внешней среды и реакции на эту информацию
• Именно на основе раздражимости осуществляются саморегуляция организма и гомеостаз.
Что такое репродукция, наследственность и изменчивость
• Репродукцией называют процесс воспроизведения себе подобных.
• Наследственность – это поток информации между поколениями живых существ. Наследственность обеспечивает преемственность свойств между поколениями живых организмов.
• Изменчивостью называют появление новых признаков организма, возникающую в процессе репродукции. Изменчивость является основой биологической эволюции
Что такое онтогенез и филогенез
• Онтогенезом называют процесс индивидуального развития организма. В процессе онтогенеза происходит реализация индивидуальной программы, заложенной в организм в момент его появления на свет.
• Филогенез – это историческое развитие организмов. Эволюция живого организма в процессе филогенеза осуществляется в результате наследственной измен -чивости и таких процессов, как естественный отбор и борьба за существование. Об этих процессах мы будем говорить в дальнейших лекциях.
• Закон: Онтогенез является кратким и сжатым
повторением филогенеза.
Что такое обмен веществ
• Обмен веществ – это особый способ взаимодействия живых организмов со внешней средой.
• Обмен веществ требует постоянного притока некоторых веществ и энергии из внешней среды. Он также требует выделения в эту среду некоторых веществ – продуктов диссимиляции.
• Именно благодаря наличию обмена веществ живой организм является открытой системой.
• Обмен веществ – это питание, дыхание, фотосинтез и т.д.
Основные признаки живого
• Вне зависимости от того на каком уровне иерархии биологического существования находится организм.
он обладает обменом веществ,
раздражимостью. Способ-
ностью к репродукции, воз-
можностью передавать
наследственную информа-
цию и и изменчивостью.
Он также характеризуется
метаболзмом и гомеостазом.
Циклы
• Одной из основных особенностей жизни является способность к усложнению её форм.
• Это проявляется в возникновении
сложных циклов.• Такие циклы являются прообразом
циклов, характерных для формиро-
вания экосистем.
. Для возникновения жизни важны
те циклы, которые могут запасать
энергию в световой фазе и расхо-
довать её в теневой фазе.
Передача информции в организме
• Передача информации в организме
идёт от молекул ДНК через молекулы• РНК.• И те, и другие молекулы обладают
определённой вращательной ори-
ентацией.• Молекула ДНК левовращающая
(см. рисунок)• Для обеспечения этого процесса,
называемого редупликацией, должна
была возникнуть хиральная чистота,
о которой шла речь на прошлой лекции.
Передача информации на молекулярно-генетическом уровне
• Вот так можно представить
себе процесс передачи информа-
ции в белках.
Заключительные замечания о том, чем характеризуется жизнь
• Несмотря на то, что мы знаем очень много о том, какими свойствами характеризуется жизнь, мы очень плохо понимаем то, что же это на самом деле такое.
• Этот вопрос давно и глубоко волнует науку.• Мы же пока отметим для себя, что для определения
понятия жизни мы всё же имеет недостаточно знаний.• Единственное, что мы можем с уверенностью сказать, это
то, что в начале существования нашей планеты жизни на ней не было, а затем после длительного этапа предбиоло- гической эволюции на Земле появилась жизнь.
• Основной вопрос, который при этом необходимо решить – это то, каким образом на Земле появилась жизнь.
• Это тоже очень сложный вопрос.
О возникновении жизни
• Мыв первую очередь интересуемся возникновением жизни на нашей планете.
• Других мест в Космосе, где существует жизнь мы ещё не знаем, хотя ряд предположений этого плана имеется.
• Поэтому вопрос о возникновении жизни –это вопрос о её возникновении на Земле, и возникновении её в Космосе.
• Это разные вопросы, но ответы на их тесно связаны.• Именно поэтому мы будем просто говорить о возникно-
вении жизни, не всегда уточняя о Земле или Космосе идёт речь.
• В то же время нас главным образом будет интересовать именно наша планета.
Каким образом могла возникнуть жизнь
• Есть несколько разных гипотез о возникновении жизни.• Строго научно доказать, какая из них справедлива и могла ли жизнь возникнуть разными па- раллельными путями нельзя.• По существу, речь идёт не о доказательствах, а о вере в ту или иную гипотезу.• Тем не менее, есть наиболее • вероятная гипотеза о воз- никновении жизни.• На ней мы в дальнейшем и • сосредоточимся.
Основные гипотезы о возникновении жизни.
• Есть несколько основных гипотез о возникновении жизни.• Сначала мы их просто перечислим, а затем коротко
опишем каждую из них.• Наиболее важные гипотезы о возникновении жизни: 1. Жизнь была создана сверхестественным существом – креационизм. 2. Жизнь возникала неоднократно из неживого вещества – самозарождение. 3. Жизнь существовала всегда – стационарная гипотеза. 4. Жизнь занесена на нашу планету извне – панспермия. 5. Жизнь возникла однажды в результате процессов, которые подчиняются химическим и физическим законам - биохимическая эволюция.
Креационизм
• Гипотеза о творении жизни самая простая и древняя.• Она не может ответить не• на вопрос о том, Зачем было творение.• Ещё сложнее понять, как произошло творение: сразу ли возникли все нынешние формы жизни или же были созданы только простейшие формы, а потом шла эволюция. Не ясно откуда на Земле столько вымерших видов.
Трудности креационизма
• На вопросы, которые мы
сформулировали в предыду-
щем слайде, креационизм не
может дать никакого ответа.• В то же время строго дока-
зать его ошибочность невоз-
можно.
Теория самозарождения жизни
• Представления о том, что жизнь постоянно самопроизвольно возникает на Земле имеет древнее происхождение.• Так, пока люди не знали микробов они думали, что в гниющем мясе сами собой заводятся червяки и мухи.• Было множество «гипотез» подобного рода.• После того, как Левенгук открыл Спаланцани микробов, теория самозарождения жизни была быстро отвергнута.• Большая заслуга в этом принадлежит Лаццаро Спаланцани
и Луи Пастеру.
Теория стационарного состояния
• Теория стационарного состояния предполагает, что жизнь всегда была и будет существовать во Вселенной.
• Её сторонники считают, что она, также как материя и энергия существует вечно.
• Эти взгляды, в частности, разделял крупнейший учёный, один из создателей теории ноосферы, академик Вернадский.
• Эта теория порождает множество вопросов, которые пока остаются без ответа.
• Один из них – это вопрос о том, почему вначале жизни на Земле не было, а затем она возникла.
Теория панспермии
• Эта теория предполагает, что жизнь на Землю занесена из космоса, например метеоритами.• Эта теория была предложена в • 1865 году немецким учёным • Рихтером. Её разделяли такие крупнейшие учёные, как
У. Томпсон, Аррениус и Гельмгольц.• На поверхности метеоритов найдены органические молекулы.• Они, однако, не обладают хиральной чистотой.• Теория панспермии оставляет вопрос о возникновении
жизни открытым, перенося его с Земли в космос.
К гипотезе панспермии
• Так представляют
сторонники этой
теории возникновение
жизни из органичес-
ких кирпичиков, зане-
сённых на Землю ме
теоритами.
Ещё раз о гипотезе панспермии
• Предполагая то. что жизнь разносится по Вселенной, нельзя забывать, что тем не менее жизнь должна была возникнуть в конкретной точке в конкретный момент времени.
• Это означает, что надо иметь хотя бы некие общие предположения о том. где находится эта точка и о том, когда произошло возникновение в ней жизни.
• Без ответа на эти вопросы панспермия может рассматриваться только, как дополнение к другим теориям возникновения жизни.
• Это и является основной трудностью данной теории.
Биохимическая эволюция
• Идеи биохимической эволюции были впервые высказаны в 1924 году академиком А.М. Опариным.
• В 1929 году аналогичные представления были развиты английским учёным Дж. Холдейном.• Согласно их представлениям жизнь возникла в первичном горячем океане в конце до- биологической эры эволюции Земли.• Эту эру иногда называют катархейской эрой.
А.М. Опарин
Основы представлений и биохимической эволюции по Опарину
• В горячем «бульоне» первич- ного океана появляются обособленные от раствора органические многомолеку- лярные структуры.• Их называют коацерватами.• Академик Опарин сумел искусственно получить коацерваты, которые были белковыми комплексами.• Они могли обмениваться с окружающей средой ве- ществами, а также избирательно накапливать некоторые вещества.• Коацерваты похожи на живые клетки, но всё же живыми не
являются.• Живые клетки пока ещё никому получить не удавалось.
Замечание о химическом составе живой клетки
• Таблица Менделеева насчитывает 118 элементов.• В составе живой клетки эти элементы представлены по-
разному.• Основными являются несколько элементов таблицы
Менделеева. Их называют макроэлементами.• Элементы, которые представлены в малых концентрациях
называют микроэлементами.• Остальные элементы называют ультрамикроэлементами.• C, H, O, N – это 90% состава живой клетки.• P – это около 1 % от состава живой клетки.• Всего же важными и нужными для живой клетки являются
только 11 элементов периодической системы.
Достоинства и недостатки теории биохимической эволюции
• Теория биохимической эволюции является наиболее состоятельной из всех теорий возникновения жизни.
• Она хорошо согласуется с большинством известных фактов и представлений.
• Тем не менее и эта теория не может полностью ответить на все вопросы, которые связаны с возникновением жизни
• Как и все остальные теории она не может объяснить возникновение хиральной чистоты.
• В то же время ряд положений и представлений теории биохимической эволюции подтверждены опытным путём.
• Эти опыты связаны, в первую очередь, с работами американского учёного Миллера.
• Сразу же подчеркнём, что ни в одном эксперименте всё же не удалось получить искусcтвнную жизнь и обеспе- чить получение хиральной чистоты.
Опыты Миллера
• В 50-х годах XX века
американский учёный
Миллер попытался
имитировать усло-
вия, которые были на
Земле в период воз-
никновения на ней
жизни.
Схема опытов Миллера
• В двух колбах помещались те вещества, которые по предположению были на Земле в период возникновения на ней жизни.• Температура была высокой. Она соот- ветствовала температурам того вре- мени.• Высокое электрическое напряжение порождало искры, которые имити- ровали грозовые разряды, так как предполагалось, что в этот период над поверхностью Земли бушевали грозы.
Результаты опытов Миллера
• В опытах Миллера 1953 года удалось синтезировать ряд органических соединений, в том числе столь важные для жизненных процессов аминокислоты.
• При дальнейшем развитии этих экспериментов С. Фоксу удалось соединить аминокислоты в короткие нерегулярные цепи.
• Это был безматричный синтез полипептидов.• Однако, для возникновения жизни надо, чтобы возникшие
макромолекулы смогли соединиться в клетку.• Этот последний шаг является неимоверно трудным для
понимания. Путей решения этой задачи пока что не видно.• Таким образом теория биохимической эволюции, давая
больше результатов по сравнению с другими теориями возникновения жизни, окончательного ответа на вопрос всё же не даёт.
Где возникла жизнь.
• В соответствии с предположениями А.М. Опарина жизнь возникла в «бульоне» первичного горячего океана.• Однако, есть и другие гипотезы о том месте, где возникла жизнь на Земле.• Так, Ч. Дарвин считал, что жизнь возникла в маленьком водоёме.• Некоторые считают, что она воз- никла в кусках льда или, наоборот. в вулканической магме.• Точного ответа на этот вопрос нет.
О местах, где могла возникнуть жизнь в результате биологической эволюции
• Такими могли быть химические реакции при возникновении жизни в местах вулканической активности
Теоретические успехи последних десятилетий
• Большие успехи в понимании процесса возникновения жизни связаны с нелинейной термодинамикой.
• Эта наука описывает поведение очень далёких от равновесия систем.
• Её важнейшим результатом является описание того, как «самопроизвольно» могут возникнуть структурированные (разделённые на части) системы.
• На основе теории Дж. Фон Неймана удалось показать, что способность к самовоспроизведению, то есть к размно- жению, возникает после достижения определённого уровня сложности системы.
• Все эти результаты пока только начальные шаги.• Для дальнейших успехов нужен новый принципиальный
теоретический скачок.
Об уточнении понятия жизнь
• Мы уже говорили о том, что дать точное научное определение понятия жизнь, наука пока не может.
• Не может она до конца справиться и с задачей о перечислении основных важных характеристик жизни.
• Тем не менее, есть некоторые уточнённые представления о том, что же это всё-таки такое - Жизнь.
• Мы можем приближенно сказать следующее: Жизнь – это самподдерживающаяся химическая реакция,
которая может вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции. Особи производят подобных себе потомков и в последующих поколениях проявляют изменчивость, накопленную в мутациях.
• Это очень нестрогое определение. Оно просто подводит некий итог нашему нынешнему уровню знаний.
Ещё раз о некоторых основных представлениях молекулярной биологии
• Для того. чтобы в органической системе возникла жизнь, необходимо. Чтобы некие молекулы обладали свойствами, которые мы перечислили ранее.
• Большинство специалистов считает. Что этими свойствами обладают молекулы рибонуклеиновой кислоты – РНК.
• Разные типы этих молекул на ранних стадиях биологи- ческой эволюции могли удваиваться и подвергаться мутациям. Таким реализовался естественный отбор.
• В результате естественного отбора возникла молекула ДНК – хранитель генетической информации. Она стала катализатором синтеза всех известных нам белковых молекул
Возникновение клетки
• Со временем «живая система» из из РНК и ДНК нашла себе приют внутри пространства, окружённого липидной мембраной.• Мембрана защищала внутренние молекулы от внешних воз- действий. Это был прообраз живой клетки.• Живая клетка дала начало всем основным ветвям жизни.
Со временем клетки Разные специ- специализировались. ализированные клетки наших тканей.
Первые шаги жизни на Земле
• Как мы только что сказали, возникшая• жизнь ещё не имела законченной • клеточной формы.
• Приблизительно так мы представляем себе первые живые существа.
Простейшие существа нынешнего времени
• Эти существа намного сложнее первых существ на Земле. Тем не менее, глядя на них, можно попытаться представить первичные формы жизни на Земле
Первые этапы жизни на Земле
• Здесь отражены первые типы жизни и то, как биологическая
эволюция пошла
разными путями.
О необходимости новых определений
• Рассмотрение нового этапа биологической эволюции связано с использованием ряда новых понятий.
• Для понимания дальнейшего материала нам нужно снова дать определения нескольких новых понятий.
Что такое прокариоты
• Термин прокариоты происходит от греческих слов pro – перед и karyon – ядро.
• Наряду с термином проnjкариоты используются и другие термины для обозначения этого типа жизни. Мы их не приводим.
• Прокариоты – это древнейшие организмы. Они не имеют чётко выраженного ядра клетки.
• Наследственная информация передаётся с помощью ДНК.• Прокариоты размножаются делением. Нет никакого
полового процесса• К прокариотам ныне относятся вирусы, бактерии, сине-
зелёные водоросли, микоплазмы и т.д.• Сейчас известно около 6.000 видов протокариотовю• Прокариотов иногда выделяют в особое царство природы.
Что такое эукариоты
• Эукариоты или простейшие – это организмы, которые существуют или в одноклеточном виде или в виде колоний.
• Эукариоты занимают промежуточное положение между животным и растительным миром.
• Обычно их классифицирую как тип. Однако. иногда их, также как и прокариотов, выделяют в особое царство природы.
Объяснение термина митохондрии
• Термин митохондрии (или хондросомы) составлен из греческих слов mitos – нить, chondrion – зёрнышко и
soma – тельце. Это гранулярные или нитевидные органоиды. На рисунке их колония.
Что такое митохондрии
• Митохондрии – это окружённые
двойной мембраной органеллы.• Они специализируются на синтезе
одной из важнейших кислот, которая
осуществляет энергетическое пи-
тание живых клеток.
митохондрии – это • Митохондрии – это «энергетические
станции» живой клетки.• За небольшими исключениями
митохондрии имеются у всех
эукариотических клеток.
Чем нам интересны митохондрии
• Интерес к митохондриям связан не только с их ролью в энергети- ческом обеспечении живой клетки.• Митохондрии достались всем жи- вым существам в наследство от их далёких предков.• Сравнивая митохондрии разных организмов, мы можем сделать заключение о степени их родства.• Это позволяет производить изучение последовательности развития жизни в процессе эволюции.
Как происходила биологическая эволюция на Земле после возникновения на ней жизни.
• Подведём некоторые итоги сказанному по нашей теме.• Примерно 4 млрд. лет тому назад на Земле загадочным
(для нас) образом возникают молекулы РНК. Они способны к удвоению, воспринимают мутации, наконец «создают» ДНК.
• 3,9 млрд. лет тому назад появляются одноклеточные организмы. Они, наверно, были похожи на современные бактерии. Это прокариоты.
• 2 млрд. лет тому назад появляются сложноорганизованные• Эукариотные клетки. Они усложни ли своё строение за счёт
поглощения других прокариотных клеток. Появляются митохондрии. Возникает фотосинтез.
• 1,2 млрд.лет тому назад взрыв эволюции ознаменованный появлением полового размножения. Появляются новые высокоорганизованные формы: животные и растения.
Периодизация биологической эволюции
• Как развивалась
жизнь после её
возникновения
видно из этой
таблицы.
Дальнейшая эволюция после возникновения жизни
• Кроме приводившейся
таблицы нам полезно
рассмотреть эту ди-
аграмму.
Условный календарь биологической и исторической эволюции на нашей планете
• Таблицы и диаграмма предыдущих слайдов не позволяют наглядно ощутить масштабы времени.
• Для того, чтобы это можно было почувствовать иногда используют некий условный календарь.
• В этом календаре считается, что наша планета возникла в 0 часов, 0 минут и 0 некоего условного года.
• Все остальные события на Земле считаются произошедшими в разное время этого года.
• На следующем слайде история Земли и эволюция жизни на ней приведены в датах этого календаря.
События на Земле в датах условного календаря
• Земля возникла 1 января.• Первые живые клетки возникли в марте-апреле.• Первые позвоночные появились в начале декабря.• Динозавры появились 20 декабря.• Первые приматы появились 28 декабря.• Обезьяны появились 31 декабря.• Неандертальцы появились к вечеру 31 декабря.• Гомо сапиенс появился 31 декабря в 23 часа 57 минут• Иисус Христос родился в 23 часа 59 минут и 50 сек.• Промышленная революция началась в 23 часа 59 минут и
59 сек.
Вот как распределяется историческое время.
Что можно увидеть из данных о времени отдельных этапов биологической эволюции
• Анализируя приведённые выше данные мы видим, что после возникновения жизни эволюция долго «собиралась с силами».
• Относительное время существования на Земле простейших форм жизни во много раз превышает время существования сложных форм жизни.
• Скачок бурного развития наступил после возникновения полового размножения и появления на планете свободного кислорода.
• Кислород появился в результате деятельности простейших организмов.
История фольксвагена
• Работы конструктора Порше, создателя машины фольксваген начались ещё в 30-е годы XX века.
• В начале 50-х годов была
создана модель «жук».• Эта модель просщество-
ствовала очень долго.
Когда её сняли с про-
изводства выяснилось,
что неизменным
только корпус. Все
остальные части были
изменены.
Биологическая эволюция и «эффект фольксвагена»
• Эволюция долго
имела с бактериями.• Высокоорганизо-• ванная жизнь воз-
никла поздно.• Бактерии накапли-
али изменения, не
меняя числа клеток.• Внутри они менялись.
Это называют «эффектом фольксвагена» в эволюции.
Что осталось от бактерий в нашем организме
• Несмотря на то, что мы ушли от бактерий очень далеко в нашем организме сохранились следы бактерий-предков.
Половое раз- Реснички Захват других клеток
множение
Митохондрии Жгутики
Почему половое размножение сыграло столь большую рольв возникновении многообразия форм жизни
• Для того, чтобы ответить на этот вопрос, надо отойти немного в сторону и посмотреть на проблему в целом.
• При взгляде на мир нас всегда поражает многообразие форм жизни и высокая их приспособленность к конкретным условиям существования каждой её формы.
• Впечатление от этой целесообразности подсказывает идею о направленности эволюции, наличии у неё некоего плана.
• Точка зрения о том. что всё в природе идёт к заранее намеченным путям по строго определенным направлениям называется телеологией.
• В неё можно верить и опровергнуть логикой такую веру не просто.
• На самом деле эволюция идёт путем перебора разных вариантов развития
Как надо правильно поставить вопрос
• Эволюция на самом деле отбрасывает плохие варианты.• Это не значит, что она выбирает наилучшие из них.• Можно говорить только о целесообразности результатов• При изучении той или иной проблемы с телеологичесой
точки зрения задаётся вопрос зачем.• При изучении её с нормальной эволюционной точки зрения
надо спрашивать почему.• Итак, мы будем интересоваться вопросами: 1. Почему в результате эволюции организмы приобрели индивидуальную смертность? 2. Почему в результате эволюции возникло половое размножение?• Ответы на эти вопросы взаимосвязаны.
Решающая роль мутаций
• В процессе жизни клетки составляющие её молекулы постоянно обновляются.
• Наследственная информация, используемая при воспроизводстве. Подвержена сбоям – мутациям.
• Без мутаций процесс развития и совершенствования жизненных форм замедлится.
• Однако, если в течение жизни накопить много мутация, то система организма в целом «становится дефектной».
• Поэтому самое целесообразное – это на некотором пути создать несколько полноценных копий организма, а затем сам исходный организм вместе с избыточными ошибками мутациями уничтожить.
• Таким образом индивидуальный организм становится смертным, а вид в целом бессмертным.
• Это бессмертие понимается, как очень длинное, а не бесконечное существование.
Существует ли бессмертие у отдельного организма
• Мы только что сказали, что у организмов индивидуальная смертность обеспечивает эффективность существования вида.
• Тем не менее, у самых очень древних организмов, возникших до появления «эффекта смертности» бессмертие в смысле отсутствие процесса старения и естественного умирания известно.
• Таким свойством обладают бактерии.• Бессмертны и раковые клетки. Однако, это именно клетки,
а не организмы.• Бактерии же иногда всё же включают механизм
смертности.
Почему возникает половой процесс
• Разные особи накапливают разные ошибки.• При смешении их наследственных свойства в потомстве
достигается большое разнообразие изменений.• Это убыстрят эволюционный процесс и делает его более
эффективным.• В то же время наследование свойств двух особей
позволяет за счёт «сильных» доминантных признаков, подавить «слабые» - рецессивные признаки.
• Это повышает эффективность эволюционного процесса.• К этому вопросу мы вернёмся более подробно в следющих
лекциях.
Запрограммированная смерть клетки
• Смерть клетки – это постоянное проявление жизнедеятельности многоклеточного организма.
• В здоровом состоянии организм компенсирует смерть клеток их регенерацией, то есть рождением новых клеток.
• Есть два вида смерти клеток:
1. Некроз –смерть под влиянием внешних воздействий
(несчастный случай, болезнь).
2. Апоптоз – запрограммированная природой смерть
клетки (её самоубийство).
• Обычно смерть клетки происходит после определённого числаа её делений. Апоптоз «безболезненен». Он происходит, в частности, путём ослпбления и гибели митохондрий.
О происхождении термина апоптоз
• Термин апоптоз был предложен в 1972 году.• Он происходит от двух греческих слов apo – отделение и
ptosis – падение.• Такое название связано с тем, что впервые подобное
явление было описано древнеримским врачом Галеном.• Гален заметил, что если ветку дерева, на которой уже
начали опадать листья, надломить, то процесс опадения листьев прекращается.
• Это означает. что опадание листьев идёт не за счёт внешних обстоятельств,а за счёт заранее запрограммированного физиологического процесса.
• При надломе ветки этот запрограммированный процесс прекращается.
О проявлении апоптоза
• Апоптоз универсально распространён в мире многоклеточных организмов.
• Понимание апоптоза важно для борьбы с рядом болезней.• Есть болезни, когда надо попытаться апоптоз
приостановить• В случае раковых клеток наоборот желательно вызвать у
них апоптоз, то есть спровоцировать самоубийство.• Дальнейшее рассмотрение этой очень интересной
проблемы выходит за рамки изучаемых нами вопросов.
Ход эволюции после эволюционного взрыва, бывшего 1,2 млрд. лет тому назад
• После возникновения
полового размножения
начался бурный всплеск
видообразования• Организмы увеличива-
лись в размерах.нача-
лась кислородная ре-
волюция. • Со временем жизнь
вышла на сушу.
Начальные формы морской жизни эпохи начинающегося расцвета
• Питание растений идёт частично путём фотосинтеза.
В море появляются первые позвоночные
• Так мы представляем себе первых хордовых (наши очень далёкие предки).
Выход жизни на сушу
• Это происходило на обширных отмелях
• Кистепёрая рыба – предок земных существ.
Современная иллюстрация выхода жизни на сушу
• Этот вид акулы открыт совсем недавно – в первые годы XXI века.
• Это акула, которая пол-
зает по песчаному дну
на плавниках.• Можно полагать, что
она чем-то похожа
на тех рыб, которые
в далёкие времена
впервые вышли на
сушу.
Скелет летающего ящера – предка птиц
• В частях скелета отмечены
те кости. Которые харак-
терны и для ящеров, и
для птиц.
Первые млекопитающие
• Австралийская ехидна.• Ехидна и утконос имеют
клюв, откладывают яйца
и выделяют молоко про-
сто из кожи живота.• Они сохранились до
настоящего времени.
После ухода со сцены гигантских ящеров маленькие зверьки-млекопитающие захватывают мир, превращаясь в
гигантов.
• В конце эпохи на сцену выходит человек.• Возникновение пред-
ков человека и их
эволюция – наша
следующая тема.
Влияние живых организмов на эволюцию Земли. как целого
• Геологическая эволюция планеты Земля создала условия для возникновения и развития разных форм жизни.
• Жизнь, в свою очередь, также влияет на геологию, атмосферу и другие характеристики Земли, как планеты.
• Мы уже знаем несколько примеров такого влияния: 1. Возникновение осадочных пород. 2. Изменение состава атмосферы и появление в ней свободного кислорода. Кислородная революция произошла 600 млн. лет тому назад. 3. Зелёная растительность влияет на спектры отражения и поглощения солнечного света.• В то же время разные формы жизни влияют и друг на
друга, а вызванные жизнью изменения условий на планете в свою очередь опять влияют на эволюцию жизни.
О влиянии жизни на планету и взаимном влиянии форм жизни друг на друга
• Свободный кислород, созданный одними видами жизни, повлиял на возникновение новых форм жизни. Те, в свою, очередь стали теснить старые, анаэробные формы.
• Насекомые и цветковые растения взаимно повлияли на эволюцию друг друга.
• Само появление хищников было бы не возможно без наличия растительных форм жизни.
• Многие из проблем этого типа можно рассмотреть с помощью простейших математических моделей.
• Одной из таких моделей является модель Лавлока.• Рассмотрением той модели мы и закончим нашу лекцию.
Модель Лавлока.
• Пусть имеется по всем своим характе-
ристикам похожая на Землю.• Пусть она вращается вокруг Звезды,
которая напоминает наше солнце.• Пусть планета имеет материки с
хорошим обводнением.• Пусть единственной формой
жизни на этой планете, которая
называется «Маргаритовый мир»
будут маргаритки.
Дополниельные условия модели Лавлока
• Пусть на планете есть две формы маргариток – светлые и тёмные.
• Эти растения могут существовать
в диапазоне от 5 до 40 градусов
Цельсия.• Лучше всего эти растения разви-
ваются при 20 градусах.• Пусть Солнце этой планеты
постепенно увеличивает свою
светимость, также как и настоящие
звёзды.
Рассмотрим решение этой крайне упрощённой задачи
• Когда планета прогреется до 5 градусов на ней появятся цветы.
• Их соотношение во всех местах планеты будет в среднем одинаковым.
• Однако там. Где случайно тёмных цветов больше, свет будет отражаться слабее.
• Температура там будет повышаться.• В тех местах, где случайно будет больше светлых цветов,
температура будет понижаться.• В результате тёмные цветы вытеснят практически все
светлые.• После того, как температура повысится до 20 градусов
ситуация изменится и светлые цветы будут побеждать тёмные.
Окончание решения
• Псле того, как температура поднимется до 40 градусов жизнь на планете опять исчезнет.
• Таким образом на планете из-за взаимодействия будут последовательно существовать две формы растений.
• Таким образом, меняя отражение света, цветы взаимодействуют друг с другом.
• Однако самое интересное в другом:
Весь «период жизни» из-за изменения отражения температура поверхности планеты будет неизменной
и равной 20 градусам.• Эта задача интересна тем, что она показывает, как
неожиданно может сказаться появление жизни на планете
на её свойствах как целого.