Лекция 16 Принципы эволюции воспроизводства и развития живых

Лекция 16. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем 1. 2. 3. 16. 02. 2018 Принципы биологической эволюции. Структура ДНК, РНК, белков. Генные механизмы. 1

1. Принципы биологической эволюции. 1. 2. 3. В биологии концепция эволюции получила фундаментальное значение, т. к. для живой природы развитие является неотъемлемым и характерным свойством. Эволюционная теория занимает центральное место в системе наук о живой природе. Развитие эволюционных идей в биологии имеет длительную историю: Первая возникла на базе античной диалектики, утверждающей идею развития и изменения мира; Вторая появилась с христианским мировоззрением на основе креационизма; Третья связана с созданием успешной таксономии К. Линнея, после чего швейцарский биолог Ш. Бонне впервые использовал понятие эволюции. В единую теорию они слились в 19 в. в эволюционной теории Ж. Б. Ламарка. 16. 02. 2018 2

Предпосылки возникновения теории Ч. Дарвина Наука Автор труда Идея Космогония И. Кант, 1724 -1804 П. Лаплас1749– 1827 Идея происхождения Вселенной, Солнечной системы и Земли Геология Ч. Лайель Геологическая эволюция пов-ти Земли Химия Ф. Веллер, 1824 Й. Берцелиус 1840 Образование органических веществ и единство природы Морфология Дидро, Ламетри, Гольбах, Бюффон, Гете, Декандойль Изменяемость форм и единство плана строения растений. Систематика К. Линней, Ламарк, Декандойль, Латрейль … Таксономия и эволюционные теории Палеонтология, Ж. Кювье Срав. анатомия 16. 02. 2018 1830 1762 - 1832 Теория катастроф, принцип корреляции 3

Основные положения Учения Ч. Дарвина 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Все виды живого Земли никогда и никем не были созданы; Возникнув естественным путем, виды медленно и постепенно изменялись в соответствии окружающими условиями; Факторами создания сортов и пород являются наследственная изменчивость и искусственный отбор; Происхождение видов и их изменение в результате борьбы за существование(Бз. С) и естественного отбора(ЕО); Бз. С – неограниченность размножения и ограниченность ресурсов; ЕО вызывает расхождение (дивергенцию) признаков внутри вида может привести к видообразованию. Высокоорганизованные могут быть равнозначны низкоорганизованным. 16. 02. 2018 4

1. Принципы биологической эволюции. Под биологической эволюцией понимают процесс исторического развития живого мира от древнейших форм жизни до современных и будущих форм. Теория эволюции сформулирована Ч. Дарвиным в 1859 г. 16. 02. 2018 5

1. Принципы биологической эволюции. По Ч. Дарвину эволюция есть результат взаимодействия трех факторов: Изменчивости Наследственности Естественного отбора Эти принципы базируются на следующих наблюдениях: 1. Изменчивость является неотъемлемым свойством живого и проявляется постоянно; 2. Некоторые из этих изменений наследуются потомством; 3. Природа осуществляет отбор признаков, способствующих приспособлению вида. • Слабым местом в теории Дарвина были представления о наследственности. 16. 02. 2018 6

1. Принципы биологической эволюции. В ходе развития биологии классическое эволюционное учение было значительно дополнено и получило молекулярногенетическое обоснование. В результате возникла современная синтетическая теория эволюции (СТЭ). С. Четвериков, Р. Э. Фишер, Дж. Холдейн, Н. Тимофеев – Ресовский, Н. П. Дубинин. 16. 02. 2018 7

1. Принципы биологической эволюции. 1. 2. В СТЭ различают 2 уровня: Микроэволюция Макроэволюция Микроэволюция протекает на популяционно-видовом уровне относительно недолгое время и завершается видообразованием. Она доступна непосредственному наблюдению. 16. 02. 2018 8

1. Принципы биологической эволюции. Основные положения микроэволюционного процесса: 1. Элементарной единицей эволюции является популяция(а не вид, как в классическом учении). 2. Элементарное эволюционное явлениеизменение генотипа популяции. (Генотип – совокупность наследственных признаков и свойств, полученных особью от родителей). 16. 02. 2018 9

1. Принципы биологической эволюции. 3. Элементарный эволюционный материал – это генофонд популяции. Генофонд – совокупность генов популяции, вида. 4. Популяционные волны, изоляция, естественный отбор – элементарные эволюционные факторы. 16. 02. 2018 10

1. Принципы биологической эволюции. 16. 02. 2018 11

1. Принципы биологической эволюции. Свойства мутаций: Возникают внезапно, скачкообразно; Возникают ненаправленно т. е не являются приспособительными; Сходные мутации возникают неоднократно; Мутации передаются от поколения к поколению. 16. 02. 2018 12

1. Принципы биологической эволюции. Модификационная изменчивость не наследуется. Это изменчивость фенотипа. Она возникает как реакция организма на изменившиеся условия среды т. е представляет собой адаптацию (например, закаливание). 16. 02. 2018 13

1. Принципы биологической эволюции. Популяционные волны( «волны жизни» ) – это колебания численности особей в популяциях под воздействием множества меняющихся условий. Изоляция проявляется в разрыве единого генофонда на несколько изолированных, что усиливает генетические различия 16. 02. 2018 14

1. Принципы биологической эволюции. Макроэволюция – совокупность эволюционных преобразований на протяжении длительного времени, в котором проявляются самые общие закономерности и направления эволюционного процесса. 16. 02. 2018 15

1. Принципы биологической эволюции. Естественный отбор выступает движущей силой эволюции и является следствием взаимодействия популяции с окружающей средой. 16. 02. 2018 16

1. Принципы биологической эволюции. 16. 02. 2018 17

1. Принципы биологической эволюции. Движущий отбор – форма е. о, поддерживающая уклонение признака в изменяющихся условиях среды. Приводит к образованию другого вида. Стабилизирующий отбор – форма е. о. , поддерживающая постоянство средней нормы признака при постоянных условиях. Стабилизирующий и движущий отборы осуществляются одновременно. Действие стаб. отбора усиливается при постоянных условиях среды, при изменяющихся преобладает движущий отбор. 16. 02. 2018 18

1. Принципы биологической эволюции. Дизруптивный (рассекающий) отбор – форма е. о. , когда в связи с изменившимися условиями среды преимущества приобретают особи с крайними отклонениями от нормы. Эти отклонения играют адаптивную роль. В результате на базе одного вида вследствие дивергенции формируется несколько видов. 16. 02. 2018 19

Синтетическая теория эволюции 1. 2. 3. 4. Главный фактор эволюции – естественный отбор, интегрирующий и регулирующий: мутагенез, гибридизацию, миграции, изоляции, пульсации и т. д. Эволюция протекает дивергентно, постепенно, посредством отбора случайных мутаций. Новые формы образуются через наследственные изменения – сальтации Эволюционные изменения случайны и ненаправленны Макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется только посредством процессов микроэволюции 16. 02. 2018 20

Основные законы эволюции Эволюция происходит с разной скоростью в разные периоды Эволюция организмов различных видов происходит с разной скоростью Новые виды образуются не из наиболее высокоразвитых и специализированных форм, а напротив, из простых, неспециализированных Эволюция не всегда идет от простого к сложному( «регрессивная эволюция» ) Эволюция затрагивает популяции, а не отдельные особи 16. 02. 2018 21

Система живой природы Царства Отделы(типы) Классы Предклеточные Вирусы - Предъядерные (прокариоты) Бактерии Синезеленые - Ядерн Грибы ые( Растения эукар иоты) Грибы - Водоросли, лишайники, … покрытосеменн ые Двудольные Однодольные Простейшие, … Хордовые Корненожки, … Животные 16. 02. 2018 Млекопитающ 22 ие

2. Структура ДНК, РНК, белков. Переход от неживого к живому осуществился после того, как возникли и развились система обмена веществ(СОВ) и система воспроизводства материальных основ живой клетки (СВ). Назначение обмена веществ – поддерживать уровень упорядоченности организма и его частей. (отбор извне необходимых для синтеза веществ и вывод шлаков жизнедеятельности). СОВ – цепь тончайших биохимических реакций синтеза и расщепления белковых тел. (экономичность, надежность и филигранность- от простейших до высших организмов) 16. 02. 2018 23

2. Структура ДНК, РНК, белков. 1. 2. Назначение белков в организме – служить катализаторами для протекающих биохимических реакций; выполнять функции клеточных структурных элементов. Белки (полипептиды) – это длинные цепочки аминокислот, удерживающихся пептидными связями. Из огромного числа аминокислот (≈200) природа использует для образования живых белков только 20 ( «волшебные» ). Различие в пространственной структуре молекул белков ведут к различию их свойств. Для белков характерна L конфигурация. Живые белки имеют одинаковую изомерию, а абиогенные белки – разную (50 на 50). 16. 02. 2018 24

2. Структура ДНК, РНК, белков. Белки – биологические полимеры, мономерами которых являются аминокислоты В структуру белка входят различные аминокислоты и в разном порядке ( разнообразие более 101000); Белки: альбумин-36000, гемоглобин 152000, миозин-500000 16. 02. 2018 25

2. Структура ДНК, РНК, белков. COOH Ι H 2 N – C – H Ι R Обобщенная формула для большинства аминокислот Полимеризация осуществляется через карбоксильную и аминную группы. В результате возникает первичная структура белка. 16. 02. 2018 26

2. Структура ДНК, РНК, белков. H O H ı ⁄⁄ ı NH 2 – C – NH – COOH ı R ( пептидная связь) - это прочная ковалентная связь 16. 02. 2018 27

16. 02. 2018 28

2. Структура ДНК, РНК, белков. Чаще всего полипептидная цепь закручивается полностью или частично в спираль – вторичная структура белка( радикалы снаружи, а NH и CO группы внутри). Последние образуют водородные связи, которые слабее ковалентных. Полипептидная цепь подвергаются дальнейшей укладке: третичная – гидрофобная связь радикалов, четвертичная и т. д. 16. 02. 2018 29

2. Структура ДНК, РНК, белков. Структура и свойства белка строго соответствуют выполняемой им функции. Под влиянием различных факторов слабые связи, поддерживающие вторичную и третичную структуру белка, рвутся и молекула развертывается. (денатурация) Денатурация обратима, поэтому все особенности строения белка определяются его первичной структурой. Белки выполняют строительную, каталитическую, сигнальную, двигательную, транспортную, защитную и энергетическую функции. 16. 02. 2018 30

16. 02. 2018 31

16. 02. 2018 32

16. 02. 2018 33

16. 02. 2018 34

2. Структура ДНК, РНК, белков. Система воспроизведения (СВ) содержит в закодированном виде полную информацию для построения из запасенного клеткой органического материала нужного в данный момент времени белка. Также СВ ведает механизмом извлечения и реализации соответствующей программной информации. Свой функции СВ осуществляет посредством биополимеров – полинуклеидов ( ДНК и РНК ). ДНК –хранительница генетической информации; РНК – считывает эту информацию, переносит ее и строит из них нужные белковые молекулы. ДНК и РНК обладают правой или D конфигурацией. 16. 02. 2018 35

2. Структура ДНК, РНК, белков. Нуклеиновые кислоты – это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. 16. 02. 2018 36

2. Структура ДНК, РНК, белков. Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Молекулярная масса ДНК достигает сотен миллионов. Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям. Соединение нуклеотидов в нити ДНК осуществляется через углевод одного и фосфорную кислоту другого прочной ковалентной связью. 16. 02. 2018 37

2. Структура ДНК, РНК, белков. Нуклеотид = Сахар { Дезоксирибоза, } + Рибоза + азотистое основание + остаток фосфорной кислоты. 16. 02. 2018 38

16. 02. 2018 39

2. Структура ДНК, РНК, белков. Азотистые основания: 1. Аденин (А) 2. Гуанин (Г) 3. Цитозин (Ц) 4. Тимин (Т). В РНК – урацил (У) вместо Т 16. 02. 2018 40

2. Структура ДНК, РНК, белков. Цепочки ДНК соединены между собой водородными связями: А Т Г Ц т. е азотистые основания соединяются между собой по принципу комплиментарности. 16. 02. 2018 41

1 16. 02. 2018 42

16. 02. 2018 43

2. Структура ДНК, РНК, белков. ДНК содержится в ядре клетки, митохондриях, хлоропластах, причем в ядре ДНК входит в состав хромосом, где она находится в соединении с белками. Принцип комплементарности, лежащий в основе структуры ДНК, позволяет понять как синтезируются новые молекулы ДНК перед делением клетки. РНК одноцепочечная молекула. В клетке имеется несколько видов РНК: т. РНК, и-РНК, р-РНК. 16. 02. 2018 44

3. Генные механизмы. Центральной проблемой в вопросе происхождения жизни является описание эволюции развития механизма наследственности. Ученые убеждены, что жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации. Для саморепродукции нуклеиновых кислот – основы генетического кода – необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты. В зависимости от ответа возникли две гипотезы: голобиоза (субстратная) и генобиоза (информационная). 16. 02. 2018 45

3. Генные механизмы. К началу 1980 х годов чаша весов начала склоняться в пользу концепции генобиоза благодаря новому истолкованию свойства молекулярной хиральности. В конце 1980 х годов установлено, что первичной была молекула РНК. Оказалось, что РНК наделена такой же генетической памятью, как и ДНК. Также была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов (автокатализ). Древняя РНК была транспортной и совмещала как черты фенотипа, так и генотипа. 16. 02. 2018 46

3. Генные механизмы. Каждая клетка состоит из нескольких тысяч белков и они индивидуальны. Способность синтезировать именно свой белки передается по наследству и сохраняется в течении всей жизни. Отрезок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре одного определенного белка называется геном. В молекуле ДНК содержится несколько сотен генов. Чтобы распознать информацию в ДНК нужно знать код ДНК. Для каждой аминокислоты установлен состав кодирующих ее троек нуклеотидов – триплетов. Код ДНК расшифрован полностью. 16. 02. 2018 47

3. Генные механизмы. На микроуровне процесс воспроизводства можно изобразить: ДНК РНК белки Процесс основывается на генных механизмах, к которым относятся транскрипция, трансляция и репликация. 16. 02. 2018 48

3. Генные механизмы. Транскрипция (transcriptionпереписывание) – это синтез РНК на одной цепи ДНК- матрицы. В результате «перезаписи» информации о нуклеотидной последовательности ДНК образуются молекулы одноцепочечной информационной или матричной РНК ( м- РНК). (и-РНК) 16. 02. 2018 49

3. Генные механизмы. При синтезе РНК на ДНК нуклеотиды присоединяются по принципу комплементарности (Г = Ц, У = А). м – РНК кодирует соответствующие аминокислоты, из которых синтезируются белки. Трансляция – это синтез белка на основе генетического кода и- РНК в рибосомах. Решающее значение при этом наряду с м. РНК имеют транспортные (т-РНК) и рибосомные РНК (р-РНК). 16. 02. 2018 50

3. Генные механизмы. Концепция генетического кода, согласно которому синтезируется белок, была выдвинута физиком Г. Гамовым. Оказалось, что последовательность трех нуклеотидов Т-РНК (триплет) определяет одну аминокислоту. Этот код универсален. Каждая т-РНК переносит всего одну из 20 аминокислот. Рибосомная РНК (р-РНК) выступает катализатором процесса синтеза белка. 16. 02. 2018 51

3. Генные механизмы. Репликация – это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клеток. В основе удвоения лежит уникальное свойство ДНК самокопироваться. ДНК распределяется на две цепи, а затем из нуклеотидов, свободно плавающих в клетке, формируется вдоль каждой цепи еще одна цепь. 16. 02. 2018 52