Биологическая картина мира Система биологического знания Сущность живого Клеточный уровень исследования живых систем Молекулярно-генетический уровень живых структур Уровни организации живых систем Предшественники эволюционного учения в биологии Чарльз Дарвин – основоположник теории эволюции Синтетическая теория эволюции
Этапы становления эволюционной теории n n n первый этап — традиционная биология (наиболее яркий ее представитель — шведский естествоиспытатель К. Линней); второй этап — классическая теория биологической эволюции (создатель — английский естествоиспытатель Ч. Дарвин); третий этап — синтетическая теория биологической эволюции (результат синтеза идей Ч. Дарвина и австрийского естествоиспытателя, основателя генетики Г. Менделя).
Эволюционная теория n В 1836 г. К. М. Бэр писал: «всякое бытие есть не что иное, как продолжение создания, и все естественные науки — только длинное пояснение единого слова: да будет!»
Жан Батист Пьер Антуан де Моне шевалье де Ламарк (1744 – 1829) n n n Считал совершенно различными два процесса: творение и производство. Творение нового — это божественный акт. Производство — естественный закономерный процесс порождения природой новых форм. «Творить может только Бог, — утверждал Ламарк, — тогда как природа может только производить. Мы должны допустить, что для своих творений божеству не нужно время, между тем как природа может действовать только в пределах определенного времени» и «создавать все доступные нашему наблюдению тела, и производить все происходящие в них перемены, видоизменения, даже разрушения и возобновления» . Природные формы не содержат в себе ничего, что связывало бы их с божественной субстанцией, и поэтому их познание должно ориентироваться исключительно лишь на материальные причины.
Ламаркизм n n n Творчески синтезируя все эти эмпирические и теоретические компоненты, Ламарк сформулировал гипотезу эволюции, базирующуюся на следующих принципах: принцип градации (стремление к совершенству, к повышению организации); принцип прямого приспособления к условиям внешней среды, который, в свою очередь, конкретизировался в двух законах: во-первых, изменения органов под влиянием продолжительного упражнения (неупражнения) сообразно новым потребностям и привычкам; во-вторых, наследования таких приобретенных изменений новым поколением.
Ламаркизм Теория Ламарка носила новаторский характер, n была первой обстоятельной попыткой решения проблемы эволюции органических форм. n Особенно важно то, что Ламарк искал объяснение эволюции во взаимодействии организма и среды и стремился материалистически трактовать факторы эволюции. n Главная теоретико методологическая трудность, стоявшая перед Ламарком, заключалась в воспроизведении диалектического взаимодействия внешнего и внутреннего, организма и среды. n Эту проблему решить ему не удалось. В результате внешний (эктогенез) и внутренний (автогенез) факторы эволюции в его концепции трактовались, независимо друг от друга. n
Дарвинизм n n n Теоретические предпосылки концепции: В 1798 г. священник Т. Мальтус ( 1766 – 1834) опубликовал «Трактат о народонаселении» , в котором обрисовал, к чему привел бы рост населения, если бы он ничем не сдерживался. Принцип униформизма английского геолога Ч. Лайеля (1797— 1875), в соответствии с которым медленные ничтожные изменения приводят к поразительным результатам, если происходят долго в одном направлении. Точно так же небольшие изменения на протяжении миллионов лет приводят к образованию новых видов.
Дарвинизм n n Ч. Дарвин (1809 1882) во время своего кругосветного плавания на корабле «Бигль» собрал множество данных, свидетельствующих о том, что виды нельзя считать неизменными. 27 декабря 1831 «Бигль» отправился в плавание. Дарвин успел взять с собой только что вышедший 1 й том «Основ геологии» Ч. Лайеля. Этот том оказал большое влияние на формирование научных взглядов молодого исследователя. На мысль об эволюции органических форм Дарвина натолкнула находка в одном и том же регионе — в Южной Америке — скелетов ленивца — огромного (ископаемого) и маленького (современного). После возвращения в Англию он изучал практику разведения голубей и других домашних животных, что натолкнуло его на идею естественного отбора.
Дарвинизм n n n Теория эволюции сформулирована Дарвином в 1839 г. Наибольший вклад Дарвина в науку заключался не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить. В 1859 г. Дарвин опубликовал труд «Происхождение видов путем естественного отбора» .
Уоллес Альфред Рассел (1823– 1913) n n n Выдающийся английский естествоиспытатель, путешественник в феврале 1855 г. написал первую статью «О законе, определяющем появление новых видов» . Обсуждая закономерности распространения организмов во времени и пространстве, первый раз высказался в пользу признания эволюции организмов. Через три года он перенес мучительный приступ малярии, во время которого напряженно работал над тезисами недавно прочтенной книги Мальтуса о перенаселении. Внезапно Уоллеса, по его собственным словам, осенила мысль о переживании наиболее приспособленных. Он не только продумал в существенных чертах новую теорию, но и набросал ее на бумаге, а в последующие два вечера написал статью начисто и отослал в Англию Лайелю.
Дарвинизм n n n Наблюдение 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом. Наблюдение 2. Число особей в каждой данной популяции примерно постоянно. Вывод 1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит «борьба за существование» . Наблюдение 3. Во всех популяциях существует изменчивость. Вывод 2. В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к условиям жизни, обладают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи. Вывод 2 содержит гипотезу о естественном отборе, который может служить механизмом эволюции.
Принципы эволюционной теории n n n n Первый принцип: изменчивость является неотъемлемым свойством живого. В природе нельзя обнаружить два совершенно одинаковых, тождественных организма. В крайне неблагоприятных условиях каждое мельчайшее отличие способно стать именно тем решающим изменением, которое определит, останется ли этот организм в живых или будет уничтожен. Ч. Дарвин различает два типа изменчивости. А) Индивидуальная или неопределенная – передается по наследству. Б) Определенная, или групповая изменчивость: ей подвержены те группы организмов, которые оказываются под воздействием определенного фактора внешней среды. В дальнейшем неопределенные изменения обычно стали называть мутациями, а определенные модификациями.
Принципы эволюционной теории n n n Второй принцип– принцип борьбы за существование: с одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометрической прогрессии, а с другой выживают и достигают зрелости лишь в арифметической прогрессии, т. е. небольшая часть потомства. Так, многие растения дают десятки и сотни тысяч семян, а рыбы выметывают от нескольких сот до нескольких миллионов икринок. В этих условиях и развертывается борьба за существование. Различают межвидовую и внутривидовую борьбу, причем наиболее ожесточенная борьба возникает между сходными организмами, поскольку именно они имеют одинаковые потребности.
Принципы эволюционной теории n n n Тёмные и светлые пяденицы на деревьях с тёмной и светлой корой. Специально проведённые эксперименты показали, что отбор бабочек осуществляли питающиеся ими птицы, которые легко находили тёмных бабочек на стволах деревьев, покрытых лишайниками, и светлых бабочек — на деревьях без лишайников. Третий принцип – принцип естественного отбора, который играет фундаментальную роль в теории эволюции не только Дарвина, но и большинства теорий, появившихся позднее. Дарвин выдвинул гипотезу общего характера, согласно которой в природе существует особый механизм отбора. Этот механизм, по Дарвину, – следствие «одного общего закона, обусловливающего прогресс всех органических существ, именно – размножения, изменения, выживания наиболее сильных и гибель наиболее слабых» .
Дарвинизм n n n Таким образом, дарвиновская теории эволюции опирается на следующие принципы: • борьбы за существование; • наследственности и изменчивости; • естественного отбора. Эти принципы являются краеугольным основанием научной биологии.
Дарвинизм n n Э. Геккель называл Дарвина «Ньютоном органического мира» . Символично, что в Вестминстерском аббатстве Дарвин похоронен рядом с И. Ньютоном. В этом сближении имен двух великих ученых есть большой смысл. Как Ньютон завершил труды своих предшественников созданием первой фундаментальной физической теории — классической механики, так Ч. Дарвин довел до завершения (процесс поиска способов конкретизации идеи эволюции, создал первую фундаментальную теорию в биологии — теорию естественного отбора и заложил основания научного познания исторического аспекта органических систем.
Кошмар Дженкина Всю жизнь Дарвина преследовал «кошмар Дженкина» : n если среди поля красных маков появится белый, то после скрещивания он даст розовое потомство, а через 2 3 поколения исчезнет всякое воспоминание о белом цвете. Аналогия: растворение капли молока в стакане воды n Если эволюция связана со случайным появлением полезных изменений и наследственной передачей приобретенных признаков потомству, то каким образом они могут сохраняться и даже усиливаться в дальнейшем? n Ведь в результате скрещивания особей с полезными признаками с другими особями, которые ими не обладают, они передадут эти признаки потомству в ослабленном виде. n В течение ряда поколений случайно возникшие полезные изменения должны постепенно ослабнуть, а затем и вовсе исчезнуть. n
Генетика n Генетика - наука о наследственности и изменчивости организмов и практических методах управления ими.
Грегор Мендель n n Основой генетики стали законы передачи наследственной информации, открытые австрийским естествоиспытателем Г. Менделем (1822 – 1884). Эти закономерности были им обнаружены при проведении множества опытов по скрещиванию различных сортов гороха и четко сформулированы в 1865 г.
Этапы развития генетики n n n Скрещивая гладкий и морщинистый сорта гороха, Мендель получил в первом поколении только гладкие семена, а во втором поколении — 1/4 морщинистых семян. Догадался: в зародышевую клетку поступают два наследственных задатка — от каждого из родителей. Если они не одинаковые, то у гибрида проявляется один доминантный (преобладающий) признак — гладкость. Рецессивный (уступающий) остается как бы в скрытом состоянии. В следующем поколении признаки распределятся в соотношении 3: 1.
Законы Менделя n n Схема первого и второго закона Менделя. 1) Растение с белыми цветками (две копии рецессивного аллеля w) скрещивается с растением с красными цветками (две копии доминантного аллеля R). 2) У всех растений потомков цветы красные и одинаковый генотип Rw. 3) При самооплодотворении у 3/4 растений второго поколения цветки красные (генотипы RR + 2 Rw) и у 1/4 — белые (ww).
Законы Менделя Закон доминирования признаков, или первый закон Менделя: n При скрещивании двух гомозиготных организмов, относящихся к разным чистым линиям и отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, всё первое поколение гибридов окажется единообразным и будет нести признак одного из родителей (более сильный, доминантный) и всегда подавлять другой (рецессивный). Закон расщепления, или второй закон Менделя: n при скрещивании двух гетерозиготных потомков первого поколения между собой во втором поколении наблюдается расщепление в определенном отношении 3: 1
Этапы развития генетики n n Август Вейсман (1834 1914) показал, что половые клетки обособлены от остального организма и поэтому не подвержены влияниям, действующим на соматические ткани. Несмотря на убедительные опыты Вейсмана, которые было легко проверить, победившие в советской биологии сторонники Лысенко долго отрицали генетику, называя ее вейсманизмом морганизмом. В этом случае идеология победила науку, и многие ученые, как, например, Н. И. Вавилов, были репрессированы.
Этапы развития генетики n n Гуго де Фриз (1848— 1935) открыл существование наследуемых мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Он предположил, что новые виды возникали вследствие мутаций. Понятие мутации в генетике аналогично понятию флуктуации в синергетике. Мутация — это частичное изменение структуры гена. Конечный ее эффект — изменение свойств белков, кодируемых мутантными генами. Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а накапливается. Мутации вызываются радиацией, химическими соединениями, изменением температуры, наконец, могут быть просто случайными.
Этапы развития генетики n Томас Морган (1866— 1945) создал хромосомную теорию наследственности, в соответствии с которой каждому биологическому виду присуще свое строго определенное число хромосом.
Этапы развития генетики n n Г. Меллер в 1927 г. установил, что генотип может изменяться под действием рентгеновских лучей. Отсюда берут свое начало индуцированные мутации и то, что впоследствии было названо генетической инженерией с ее грандиозными возможностями и опасностями вмешательства в генетический механизм.
Этапы развития генетики n n Дж. Бидл и Э. Тэйтем в 1941 г. выявили генетическую основу процессов биосинтеза. Выдвинули концепцию «один ген — один белок (фермент)» , явившуюся основой биохимической генетики.
Этапы развития генетики n n Джеймс Уотсон (р. 1928) и Френсис Крик (1916 – 2004) предложили (1953 г) модель молекулярной структуры ДНК и механизма ее репликации. То, что именно ДНК — носитель наследственной информации, выяснилось в середине 40 х годов, когда после перенесения ДНК одного штамма бактерий в другой в нем стали появляться бактерии штамма, чья ДНК была взята. Чуть позже был открыт триплетный перекрывающийся (как азбука Морзе) генетический код, универсальный для всех организмов, и ядро стали понимать как орган управления, содержащий всю информацию о клетке. Продолжая аналогию ДНК с книгой, можно сказать, что если аминокислота — это слово, то бактерия — том, а человек — огромная энциклопедия.
Структура ДНК n Согласно предложенной ими модели молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух ветвей, азотистые основания попарно связаны непрочной водородной связью, так что пуриновое основание – аденин – соединяется с пиримидиновым основанием – тимином, и аналогично гуанин с цитозином.
Структура ДНК n 3 D модель участка спирали ДНК Двойная спираль ДНК
Проблемы генетики n n n Открытие в XX в. структуры и функционирования генетического аппарата клетки сыграло в развитии биологии такую же роль, как открытие атомного ядра в физике. Если открытие атомного ядра позволило человеку овладеть практически неисчерпаемыми запасами энергии, то открытие гена дало людям возможность вмешиваться в свойства живой клетки, управлять механизмом наследственности и, наконец, практически решать задачи клонирования (копирования) живых организмов.
Проблемы генетики n n Ген (от греч. genos — происхождение) — мельчайшая единица наследственности, которая обеспечивает преемственность в потомстве того или иного элементарного признака организма. У высших организмов ген входит в состав особых нитевидных образований — хромосом, находящихся внутри ядра клетки. Совокупность всех генов организма составляет его геном. Геном человека насчитывает около ста тысяч генов. В клетке человека ДНК распределена на 23 пары хромосом и содержит около 1 млрд. пар оснований; длина ее около 1 м. Если составить цепочку из ДНК всех клеток одного человека, то она сможет протянуться через всю Солнечную систему.
Проблемы генетики n n n По своим химическим характеристикам ген представляет собой участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов — РНК), в определенной структуре которого закодирована та или иная наследственная информация. Каждый ген содержит некоторый рецепт, который обеспечивает синтез определенного белка. Таким образом, совокупность генов управляет всеми химическими реакциями организма и определяет все его признаки.
Гены n n n Геном бактерии Helicobacter, вызывающей язву желудка у человека, включает 1603 гена или более полутора миллиона единиц, «букв» информации. Геном крошечного, живущего в почве червя Elegans состоит из 97 млн. «букв» генетического кода. Геном человека, который удалось расшифровать в 2001 г. , содержит около 100 тысяч генов, включающих около 3 млрд. единиц информации, причем сбой, ошибка в функционировании хотя бы одной из этих единиц может привести к тяжелому заболеванию.
Воспроизводство клеток n n РЕПЛИКАЦИЯ — это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клеток. В основе способности клеток к самовоспроизведению лежат уникальное свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. После этого клетка может делиться на две идентичные. КАК ПРОИСХОДИТ РЕПЛИКАЦИЯ? n ДНК распределяется на две цепи, а затем из нуклеотидов, свободно плавающих в клетке, формируется вдоль каждой цепи еще одна цепь. n Так каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, все клетки организма имеют одинаковый набор генов.
Воспроизводство клеток n Транскрипция (фотография под трансмиссионным электронным микроскопом. Begin — начало транскрипции, End — конец транскрипции, DNA — ДНК. Вторая часть процесса воспроизводства — ТРАНСКРИПЦИЯ — представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочечной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК (информационная РНК — копия части молекулы ДНК, одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции).
Воспроизводство клеток Третья часть процесса воспроизводства — ТРАНСЛЯЦИЯ — это синтез белка на основе генетического кода информационной РНК в особых частях клетки — рибосомах, куда доставляет амино кислоты транспортная РНК. Процесс трансляции разделяют на n инициацию — узнавание рибосомой стартового кодон и начало синтеза. n элонгацию — собственно синтез белка. n терминацию — узнавание терминирующего кодона (стоп кодона) и отделение продукта. n
Воспроизводство клеток n n n n Общая схема трансляции. Инициация. 1. Узнавание стартового кодона (AUG), сопровождается присоединением т. РНК аминоацилированной метионином (М) и сборкой рибосомы из большой и малой субъединиц. Элонгация. 2. Узнавание текущего кодона соответствующей ему аминоацил т. РНК (комплементарное взаимодействие кодона м. РНК и антикодона т. РНК увеличено). 3. Присоединение аминокислоты, принесённой т. РНК, к концу растущей полипептидной цепи. 4. Продвижение рибосомы вдоль матрицы, сопровождающееся высвобождением молекулы т. РНК. 5. Аминоацилирование высвободившейся молекулы т. РНК соответствующей ей аминоацил т. РНК синтетазой. 6. Присоединение следующей молекулы аминоацил т. РНК, аналогично стадии (2). 7. Движение рибосомы по молекуле м. РНК до стоп кодона (в данном случае UAG). Терминация. Узнавание рибосомой стоп кодона сопровождается (8) отсоединением новосинтезированного белка и в некоторых случаях (9) диссоциацией рибосомы.
Схема синтеза белка в клетке
Синтетическая теория эволюции n n Современная теория органической эволюции, которую называют синтетической (СТЭ), отличается от дарвиновской теории рядом важнейших положений: она выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция. В настоящее время такой структурой считается популяция или вид, который включает в свой состав несколько популяций; в качестве элементарного явления или процесса эволюции рассматривается устойчивое изменение генотипа популяции; выделяются основные и неосновные факторы и движущие силы эволюции.
Синтетическая теория эволюции n n n Ч. Дарвин и его последователи к основным факторам эволюции относили: а) изменчивость, б) наследственность и в) естественный отбор, связанный с борьбой за существование. Ныне к ведущим факторам эволюции относят 1) мутационные процессы, 2) популяционные волны численности особей и 3) их изоляцию.
Синтетическая теория эволюции Первый основной фактор эволюции - мутационный процесс. n Мутации – наследственные изменения, которые определяют изменения свойств, признаков, или норм реакции организмов. n Факторы, которые вызывают мутации, называют мутагенами. n Мутации могут вызываться некоторыми общими условиями, в которых находится организм: его питанием, температурным режимом и т. д. n Мутации зависят и от некоторых экстремальных факторов: действие отравляющих веществ, радиоактивных элементов. n В результате которых количество мутаций увеличивается в сотни раз, причем возрастает оно пропорционально дозе воздействия.
Синтетическая теория эволюции n n Вторым основным фактором эволюции служат популяционные волны, которые часто называют «волнами жизни» . Установлено: малочисленные и многочисленные популяции не являются благоприятными для эволюции и возникновения новых форм живых организмов. В больших популяциях новым наследственным изменениям гораздо труднее проявиться, а в малочисленных популяциях такие изменения подвержены воздействию случайных процессов. Поэтому наиболее подходящими для эволюции и возникновения новых видов оказываются популяции средних размеров, в которых постоянно происходит изменение численности особей.
Синтетическая теория эволюции n n n n Третий основной фактор эволюции – обособленность группы организмов. Обособление и изоляция определенной группы организмов приводят к тому, что она не может скрещиваться с другими видами и тем самым передавать им и получать от них генетическую информацию. В качестве факторов изоляции могут служить: географическая граница (непреодолимая водная среда, болота, высокие горы и т. п. ), экологические условия (предпочтения в выборе экологической ниши или места обитания, разные периоды спаривания и т. д. ), особенности поведения разных групп и видов организмов. Наиболее типичный пример – существование уникальных видов животных (например, сумчатых) в Австралии, изолированной от других континентов.
Диалектика эволюции n n n Факторы эволюции – необходимые ее предпосылки. Основная движущая сила – действие естественного отбора. Отбор – результат взаимодействия популяций и окружающей их среды. Популяции – элементарные объекты для отбора. Среда ограничивает возможности такого отбора, поскольку пищевые, территориальные, географические, климатические и экологические возможности среды весьма ограничены. Именно борьба таких противоположных тенденций, как стремление к сохранению жизни и размножению, с одной стороны, и воздействие внешней среды, направленной на ограничение размножения, с другой составляют внутренне противоречивое содержание процесса эволюции.
Виды отбора n n Стабилизирующий отбор — форма естественного отбора, при которой его действие направлено против особей, имеющих крайние отклонения от средней нормы, в пользу особей со средней выраженностью признака. Чем больше птенцов или детёнышей в гнезде, тем труднее их выкормить, тем каждый из них меньше и слабее. В результате наиболее приспособленными оказываются особи со средней плодовитостью. Движущий отбор — форма естественного отбора, которая действует при направленном изменении условий внешней среды: особи с признаками, которые отклоняются в определённую сторону от среднего значения, получают преимущества. При этом иные вариации признака подвергаются отрицательному отбору. Из за промышленного воздействия стволы деревьев значительно потемнели, а также погибли светлые лишайники, из за чего светлые бабочки стали лучше видны для птиц, а тёмные — хуже. В XX веке в ряде районов доля тёмноокрашенных бабочек в некоторых хорошо изученных популяциях березовой пяденицы в Англии достигла 95 %.
Виды отбора n n n Дизруптивный (разрывающий) отбор — форма естественного отбора, при котором условия благоприятствуют двум или нескольким крайним вариантам (направлениям) изменчивости, но не благоприятствуют промежуточному, среднему состоянию признака. В результате может появиться несколько новых форм из одной исходной. когда полиморфная популяция занимает неоднородное местообитание. При этом разные формы приспосабливаются к различным экологическим нишам. При отборе с повышенной изменчивостью преимущество в отборе получают те популяции, которые отличаются наибольшим разнообразием по тем или иным признакам. Как правило, в живой природе наблюдаются сложные, комплексные типы отбора.
Скачать презентацию Биологическая картина мира Система биологического знания Сущность живого
Биологическая картина мира часть 2.ppt