БИОЛОГИЯ Лекции – пнд. 12. 40 ауд. 199 Семинары - 1 гр. вт. 12. 40 ауд. 3 Д 2 гр. вт. 13. 15 ауд. 4 ДМ Преподаватели – Степанов Алексей Львович Манучарова Наталия Александровна Поздняков Лев Анатольевич
Starr C. , Evers C. , Starr L. Basic concepts in Biology. Sixth edition. Thomson Brooks/Cole, 2006, 567 p. Мамонтов С. Г. , Захаров В. Б. , Козлов Т. А. Биология / Под ред. С. Г. Мамонтова, М. : изд. «Академия» , 2006, 576 с. Биология / Под ред. Н. П. Соколовой. М. : Высш. Шк. , 1994, 325 с Грин Н. , Стаут У. , Тейлор Д. Биология / М. : Мир, 1990, т 1 -3. Любой учебник по биологии для высшей школы
Биология (от греч. биос - жизнь, логос – наука) введен в начале XIX века Ж. -Б. Ламарком для обозначения науки о жизни. Предметом исследования биологии является: 1. 2. 3. 4. 5. Разнообразие Строение Физиология Поведение Индивидуальное (онтогенез) и историческое (эволюция) развитие организмов 6. Взаимоотношения организмов друг с другом и с окружающей средой
Уровни организации живой материи: III тип - Надорганизменный Биосферный Биогеоценотический Популяционно-видовой II тип Организменный I тип - Суборганизменный Органный Тканевый Клеточный Молекулярный
Свойства живых систем: 1. Особенности химического состава 2. Обмен веществ 3. Самовоспроизведение 4. Наследственность 5. Изменчивость 6. Развитие и рост 7. Раздражимость 8. Дискретность 9. Целостность 10. Саморегуляция (авторегуляция) 11. Ритмичность 12. Энергозависимость
Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» . М. В. Волькенштейн: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот» . (жизнь – взаимодействие трех биополимеров ДНК, РНК и белков).
Все живые существа обладают совокупностью одних и тех же свойств и состоят из одних и тех же групп биологических полимеров. Все живые организмы объединяет то, что последовательность биохимических превращений, обеспечивающих обменные процессы, у них сходна вплоть до деталей. Например, расщепление глюкозы, биосинтез белка и другие химические реакции протекают почти одинаково у самых разных организмов. Следовательно, вопрос о происхождении жизни сводится к тому, как и в каких условиях возникла столь универсальная система биохимических превращений.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ Планетарные предпосылки 1) масса, позволяющая удержать атмосферу 2) движение вокруг звезды по круговой орбите, обеспечивающее равномерное поступление энергии 3) постоянство излучения звезды
Химические предпосылки: Восстановительный характер атмосферы Земли Высокая температура H 2 O, CH 4, NH 3, HCN Грозовые разряды Мощное ультрафиолетовое излучение Солнца
Химическая эволюция А. И. Опарин (1924) и Дж. Холдейн (1929). В 1953 г. С. Л. Миллер экспериментально доказал возможность абиогенного синтеза органических соединений из неорганических. Пропуская электрический разряд через смесь Н 2, Н 2 О, СН 4 и NН 3 он получил набор нескольких аминокислот, органические кислоты и цианистый водород. Органические вещества образуются и при облучении этой смеси коротковолновыми ультрафиолетовыми лучами.
формамид H O H 2 N - С - C - N Н
H 2 O, CH 4, NH 3, HCN Для образования биополимеров (полипептидов) важное значение имела, по-видимому, адсорбция веществ на поверхности глин и осадков в качестве фактора, повышающего концентрацию реагирующих веществ (матрица).
Возможность абиогенного синтеза органических соединений подтверждается тем, что они обнаружены в космическом пространстве. В космосе найдены цианистый водород, формальдегид, метиловый и этиловый спирты и др. В некоторых метеоритах заключены жирные кислоты, сахара, аминокислоты. Все это свидетельствует о том, что достаточно сложные органические соединения могли возникать в условиях, существовавших на Земле 4 — 4, 5 млрд лет назад.
Эволюция предбиологических систем По-видимому, первичный океан содержал в растворенном виде различные органические и неорганические молекулы, попадающие в него из атмосферы и вымываемые из поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и в конце концов воды океана стали «бульоном» из белковоподобных веществ — пептидов, а также нуклеиновых кислот и других органических соединений. Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложную пространственную конфигурацию; они окружены водной оболочкой. Молекулы, окруженные водной оболочкой, объединяются, образуя высокомолекулярные комплексы — коацерваты.
Важнейшие составные части коацерватных капель — полипептиды и полинуклеотиды. В ходе эволюции у пептидов выработалась способность к каталитической активности, т. е. к значительному ускорению биохимических реакций, приводящих к превращению органических соединений. В свою очередь, нуклеотиды оказались способными связываться друг с другом по принципу дополнения, или комплементарности, и, следовательно, осуществлять неферментативный синтез дочерних полинуклеотидных цепей.
Функции биополимеров ДНК РНК Белки Хранение кодирование каталитическая катализ хранение Первые биополимеры – агрегаты РНК. Известны 60 генов копирующих белки и присутствующих у всех организмов. Протогенот синтезировал только часть необходимых белков, а другие получал из окружающей среды.
Дальнейшая прогрессивная эволюция предбиологических структур могла происходить только при усложнении обменных процессов и в условиях пространственного разделения различных синтетических и энергетических процессов внутри коацервата. Более прочную изоляцию внутренней среды от внешних воздействий по сравнению с той, которую обеспечивала водная оболочка, могла осуществить лишь биологическая мембрана.
Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделивших коацерват от окружающей водной среды. В ходе эволюции липиды преобразовались в наружную мембрану, существенно повысившую жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны, отделяющей содержимое коацервата от окружающей среды и способной к избирательной проницаемости, предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути развития все более совершенных саморегулирующихся систем вплоть до возникновения первых клеток. Образование первичных клеточных организмов положило начало биологической эволюции. а. /fm
A fm
НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ Возникновение прокариот. Отбор коацерватов, начавшийся около 3, 5 млрд лет назад, и пограничный этап химической и биологической эволюции продолжались около 750 млн лет. В конце этого периода появились первые примитивные безъядерные клетки — прокариоты. Первые живые организмы были гетеротрофами и в качестве источника энергии они использовали органические соединения и имели анаэробный тип обмена веществ. 2, 5 2, 1 1, 2 млрд лет
НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ По мере истощения первичного океана, появились организмы, способные использовать солнечную энергию (фотосинетики). Например, пурпурные бактерии окисляют сероводород до сульфатов. Донором электронов могут быть различные органические соединения. Следующим этапом эволюции было приобретение способности использовать воду в качестве донора электронов, что привело к накоплению кислорода в земной атмосфере. 2, 5 2, 1 1, 2 млрд лет
Возникновение эукариот около 1, 5 млрд лет назад возникли ядерные, или эукариотические, организмы
1. Инвагинационная гипотеза Предковая форма - аэробный прокариот. Внутри клетки находилось одновременно несколько геномов, прикреплявшихся к клеточной оболочки. Органеллы возникли путем впячивания (инвагинации) с последующим отшнуровыванием (обособлением) оболочки и формированием органелл. Гипотеза хорошо объясняет наличие в оболочках ядра, митохондрий, хлоропластов двух мембран.
2. Симбиотическая гипотеза Основной «базой» для симбиоза была, повидимому, гетеротрофная амебоподобная клетка. Одним из объектов питания такой клетки могли стать дышащие кислородом аэробные бактерии, способные функционировать и внутри клетки-хозяина, производя энергию. Те крупные амебовидные клетки, в теле которых аэробные бактерии оставались невредимыми, оказались в более выгодном положении, чем клетки, продолжавшие получать энергию анаэробным путем — брожением. В дальнейшем бактериисимбионты превратились в митохондрии. Когда к поверхности клетки-хозяина прикрепилась вторая группа симбионтов — жгутикоподобных бактерий, сходных с современными спирохетами, подвижность и способность к нахождению пищи такого организма резко возросла. Так возникли примитивные животные клетки — предшественники современных жгутиковых простейших. Образовавшиеся подвижные эукариоты путем симбиоза с фотосинтезирующими организмами (возможно, цианобактериями) дали начало водорослям, или растениям.
A. a/и
Появление многоклеточных Предположительно, многоклеточные организмы произошли от колониальных простейших - жгутиковых. Пример такой организации - вольвокс. Среди колонии выделяются движущиеся клетки, снабженные жгутиками, клетки, фагоцитирующие добычу и уносящие ее внутрь колонии, и половые клетки, функция которых - размножение. Так колония превращается в примитивный, но целостный многоклеточный организм. A. v
Trichoplax adhaerens. Считаются самыми примитивными из всех многоклеточных животных. Это маленькие (около 3 мм) бесцветные существа. Форма тела трихоплаксов напоминает пластинку и постоянно изменяется. Несколько тысяч клеток расположены в два слоя. Между ними находится полость, заполненная жидкостью и амёбовидными клетками с большим количеством митохондрий. Нервная координация отсутствует. Пищеварение осуществляется путём выделения гидролаз и дальнейшего фагоцитирования продуктов разложения. Впервые были обнаружены в аквариумах с морской водой.
2. Симбиотическая гипотеза
