Какие свойства присущи пробионту
Теория биопоэза
На основе гипотезы биохимической эволюции Опарина — Холдейна в 1947 году английский исследователь Джон Бернал сформулировал современную теорию возникновения жизни на Земле, названную теорией биопоэза (греч. bios — жизнь и poiesis — сотворение).
Она включала в себя три стадии:
- абиогенное возникновение органических мономеров;
- образование биологических полимеров;
- формирование мембранных структур и первичных организмов — пробионтов.
Абиогенное возникновение органических мономеров
Наша планета возникла около 4,6 млрд лет назад.
Образование земной коры сопровождалось активной вулканической деятельностью. В первичной атмосфере накапливались газы — продукты реакций, происходящих в недрах Земли: двуокись углерода (СО2), оксид углерода (СО), аммиак (NH3), метан (СН4), сероводород (Н2S) и многие другие. Такие газы и в настоящее время выбрасываются в атмосферу при извержениях вулканов.
Вода, постоянно испаряясь с поверхности Земли, конденсировалась в верхних слоях атмосферы и вновь выпадала в виде дождей на раскалённую земную поверхность. Постепенное снижение температуры привело к тому, что на Землю обрушились ливни, сопровождавшиеся непрерывными грозами. На земной поверхности начали образовываться водоёмы.
В горячей воде растворялись атмосферные газы и те вещества, которые вымывались из земной коры. В атмосфере из её компонентов под действием частых и сильных электрических грозовых разрядов, мощного ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца, и активной вулканической деятельности, которая сопровождалась выбросами радиоактивных соединений, образовывались простейшие органические вещества (формальдегид, глицерин, аминокислоты, мочевина, молочная кислота).
Так как в атмосфере свободного кислорода ещё не было, эти соединения, попадая в воды древнего океана, не окислялись и могли накапливаться, усложняясь в строении и образуя концентрированный «первичный бульон» — термин, введённый А. И. Опариным. Органические вещества, накапливаясь миллионы лет в воде древнего океана, образовывали концентрированный раствор, или «первичный бульон».
Первый этап биохимической эволюции был подтверждён многочисленными экспериментами, а вот что происходило на следующем этапе, учёные могут только предполагать, опираясь на знания химии и молекулярной биологии.
По-видимому, образовавшиеся простейшие органические вещества взаимодействовали друг с другом и с неорганическими соединениями, попадающими в водоёмы. Жирные кислоты, вступая в реакцию со спиртами, образовывали липиды, которые формировали жировые плёнки на поверхности водоёмов. Аминокислоты, соединяясь друг с другом, образовывали пептиды. Важным событием этого этапа стало появление нуклеиновых кислот — молекул, способных к редупликации.
Современные биохимики считают, что первыми образовывались короткие цепи РНК, которые могли синтезироваться самостоятельно, без участия специальных ферментов. Образование нуклеиновых кислот и взаимодействие их с белками стало необходимой предпосылкой для возникновения жизни, в основе которой лежат реакции матричного синтеза и обмен веществ.
А. И. Опарин считал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря особенностям строения эти молекулы способны образовывать сгустки — коллоидные комплексы, притягивающие к себе молекулы воды. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, образовывали коацерваты — структуры, обособленные от остальной массы воды. Коацерваты были способны обмениваться веществами с окружающей средой и избирательно накапливать различные соединения. Поглощение коацерватами ионов металлов приводило к образованию ферментов. Белки в коацерватах защищали нуклеиновые кислоты от разрушающего действия ультрафиолета. Системы такого рода уже обладали некоторыми признаками живого, но для превращения их в первые живые организмы им не хватало биологических мембран.
Коацерват (лат. coacervatio — собирание в кучу, накопление) — сгустки с большей концентрацией коллоида (растворённого вещества), чем в остальной части раствора того же химического состава.
Коацерваты образуются в концентрированных растворах белков и нуклеиновых кислот. Они способны адсорбировать различные вещества. Из раствора внутрь коацерватных капель поступают химические соединения, которые преобразуются в результате реакций, проходящих в коацерватных каплях, и выделяются в окружающую среду.
Понятие «коацерват» имеет важное значение в ряде гипотез о происхождении жизни на Земле.
Формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов)
Как могли сформироваться мембраны на ранних этапах возникновения жизни?
Поверхности водоёмов были покрыты жировыми плёнками. Длинные неполярные углеводородные «хвосты» липидных молекул торчали наружу, а заряженные «головки» были обращены в воду. Растворённые в водоёмах молекулы полипептидов и нуклеиновых кислот могли адсорбироваться на поверхности липидной плёнки благодаря электрическому притяжению к заряженным «головкам». При порывах ветра поверхностная плёнка изгибалась, от неё могли отрываться пузырьки. Такие пузырьки поднимались ветром в воздух, а когда падали на поверхность водоёма, то покрывались вторым липидным слоем. Это происходило за счёт гидрофобных взаимодействий между обращёнными друг к другу неполярными «хвостами» липидов. Такая двуслойная липидная оболочка удивительным образом напоминает нам современную биологическую мембрану и, возможно, могла быть её прародительницей.
Для дальнейшей эволюции жизни важны были те пузырьки, которые содержали в себе коацерваты с белково-нуклеиновыми комплексами. Биологические мембраны обеспечивали защиту и независимое существование коацерватам, создавая упорядоченность биохимических процессов. В дальнейшем сохранялись и превращались в простейшие живые организмы только те структуры, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизводству. Так возникли пробионты (или протобионты: от греч. protos — первый и bios — жизнь) — примитивные гетеротрофные организмы, питавшиеся органическими веществами «первичного бульона». Произошло это 3,5—3,8 млрд лет назад. Закончилась химическая эволюция, наступило время биологической эволюции живой материи.
Пробионты, или протобионты (греч. protos — первый и bios — жизнь), — доклеточные образования, обладающие некоторыми свойствами клеток: способностью к обмену веществ, самовоспроизведением и др.
Пробионты были гетеротрофными организмами, потреблявшими органические вещества из «первичного бульона». Очевидно, они были анаэробными гетеротрофами, поскольку древняя атмосфера, как считают исследователи, не содержала кислорода.
Эти гипотетические первичные организмы, содержавшие макромолекулы белков и нуклеиновых кислот и приобретшие способность к самовоспроизводству, как считают учёные, положили начало всему современному разнообразию жизни на Земле.
< Предыдущая страница «Физико-химическая эволюция в развитии биосферы»
Следующая страница «Учение о клетке» >
Календарь
| « Июня 2020 » | ||||||
| Пн | Вт | Ср | Чт | Пт | Сб | Вс |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 |
| 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 |
| 29 | 30 | |||||
Статистика
Онлайн всего: 3
Гостей: 3
Пользователей:
Тема: Развитие органического мира.
Содержание темы: доказательства эволюции органического мира. Сравнительная анатомия. Гомология и аналогия. Рудименты и атавизмы. Переходные формы. Сравнительная эмбриология. Биогенетический закон, современное представление о нем. Палеонтология. Деление истории Земли на эры и периоды. Главные направления органической эволюции. Ароморфоз, идиоадаптация и дегенерация. Соотношение различных направлений эволюции. Биологический прогресс и регресс.
Вопросы для самоконтроля:
В чем сущность биогенетического закона Мюллера — Геккеля и какое существенное дополнение внес в его формулировку ?
Что называют филогенезом?
Что называют онтогенезом?
Какие примеры из ботаники и зоологии подтверждают положение биогенетического закона?
Какие существуют основные направления эволюции организмов и каким ученым принадлежит заслуга теоретического обоснования этих направлений?
Какое направление биологической эволюции поднимает живое существо на более высокую ступень организации?
Какие изменения на ранних этапах возникновения жизни на Земле можно считать ороморфозами?
Что такое идиоадаптации?
Какие примеры идиоадаптаций можно привести из мира растений и животных?
Что такое дегенерация органов и в каком случае она происходит?
Какие направления эволюции являются морфофизиологическим прогрессом, а какие – регрессом?
В чем отличие морфофизиологического прогресса и регресса от биологического?
Какую роль играют мероприятия по охране природы в биологическом регрессе?
Какие органы называют гомологичными, а какие – аналогичными?
Могут ли быть одни и те же органы аналогичными и гомологичными одновременно?
Почему о родстве организмов судят на основе сравнения гомологичных органов?
Контрольная работа №2.
1.Как называется период развития организма от зиготы до отмирания (филогенез, онтогенез)?
2.Какие признаки являются филогенетическими у животных (одноклеточная стадия, бластула, гаструла, покровительственная окраска, плавательные перепонки) и у растений (одноклеточная стадия, однородные клетки зародыша, наличие хлоропластов, насекомоопыление)?
3.Какие изменения черт строения растений можно назвать ароморфозами (многоклеточность, наличие побега, цветка, плода, ветроопыление, насекомоядность)?
4.Какие изменения черт строения животных являются ароморфозами (многоклеточность, легочное дыхание, форма тела, теплокровность, двойное дыхание)?
5.Какие черты строения свидетельствуют о морфофизиологическом регрессе (внеорганизменное пищеварение, утрата органов пищеварения, утрата глаз, лишение хлорофилла, редукция корней)?
6.Свидетельствует ли морфофизиологический регресс о биологическом регрессе (да, нет)?
7.Какие органы являются гомологичными у животных (рука, лапа, крыло, ласт, хвост), у растений (корнеплод, клубень, корневище, луковица)?
8.Какие органы являются аналогичными у животных (крыло стрекозы, крыло летучей мыши, крыло птицы, рука, плавник); и какие у растений ( усики гороха, усики огурца, усы земляники)?
Основные термины и понятия.
Жизнь, живое тело, онтогенез, филогенез, биогенетический закон, ароморфоз, идиоадаптация, дегенерация, биологический прогресс, биологический регресс, гомологичные органы, аналогичные органы, рудименты, атавизм.
.
Содержание темы: определение понятия «жизнь». Гипотеза акад. о происхождении жизни. Абиогенный синтез органических соединений. Свойства первичных организмов. Ранние этапы развития жизни на Земле. Развитие органического мира в архейскую, протерозойскую, палеозойскую эры. Возникновение прокариот и эукариот. Дивергенция по способу питания: автотрофы и гетеротрофы. Космическая роль растений. Развитие жизни от одноклеточных к многоклеточным формам.
Вопросы для самоконтроля:
Чем характеризуется звездная и планетарная стадии истории Земли?
Какие химические элементы, а затем их соединения были в первичной атмосфере?
Что послужило причиной образования первичного океана?
Какие соединения могли быть растворены в водах первичного океана?
Когда началась геологическая история Земли и какая эра была первой?
В чем сущность 1 этапа зарождения жизни?
Какие органические вещества первыми возникли в водах океана?
В чем заключается 11 этап зарождения жизни на Земле?
Почему соединения нуклеиновых кислот с коацерватными каплями считается важнейшим этапом возникновения жизни?
Как питался и как дышал первый живой организм – пробионт?
Какие изменения под действием естественного отбора претерпевали пробионты?
Какую роль в эволюции органического мира сыграло появление фотосинтезирующих организмов?
На какие два направления развития подразделяют ядерные организмы (эукариоты)?
Кто из российских ученых создал рассмотренную теорию возникновения жизни на Земле?
Почему невозможно самозарождение жизни, т.е. возникновение ее из неорганической материи в современных условиях?
Общие указания.
В данном разделе необходимо повторить и проанализировать определение жизни, данное Ф. Энгельсом, и сопоставить его с современным определением живого тела. Затем следует провести сравнение живого и неживого, а также перечислить этапы химической эволюции. При этом обратить внимание на последовательность возникновения различных органических соединений и на причины, которыми эта последовательность обусловлена. Очень важно понимание взаимодействия веществ, особенно белковых коацерватных капель с нуклеиновыми кислотами, давших живую органическую материю – пробионт. Проследив многоступенчатый характер усложнений и преобразования пробионта, прокариот и эукариот в ходе естественного отбора, следует отметить два направления развития органического мира – мира автотрофов и гетеротрофов.
К вопросу о невозможности самозарождения жизни на Земле в современных условиях надо подойти с трех позиций: отсутствие соответствующих физико-химических условий, невозможности возникновения жизни абиогенным путем (из неживого) на данном этапе развития и неконкурентоспособности низкоорганизованных форм жизни, возникающих в биосфере заново.
Развитие доорганической природы.
Стадия истории Земли | Возраст | Физико-химические условия | Процессы, происходящие на Земле |
Звездная | Более 6 млрд. лет | Поверхность Земли раскалена до 1000 С, элементы находятся в виде атомов. | Вследствие вращательного движения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых металлов перемещались к центру, а на поверхности оставались атомы легких элементов (N, H, C, O);при их взаимодействии выделялось много газов, поднимавшихся вверх. |
Планетарная | От 3,5 до 6 млрд. лет | Первичная атмосфера | Газы образовали первичную атмосферу. Появились химические соединения:вода в виде пара, аммиак, водород, углекислый газ и СО. |
Первичный океан | С охлаждением планеты ниже 100 С началась конденсация водяных паров. На Землю полились горячие ливни, что привело к образованию больших водоемов. Возникали частые грозы, из недр извергались карбиды (соединения металлов с углеродом). В горячей воде они растворялись и образовывали углеводороды, там же растворялись газы, соли, которые вступали в химические взаимодействия. |
Контрольная работа №3.
когда началась геологическая история Земли (свыше 6 млрд. лет, 6млрд. лет, 3,5 млрд. лет)? где возникли первые неорганические соединения ( в недрах Земли, в первичном океане, первичной атмосфере)? что явилось предпосылкой возникновения первичного океана (охлаждение атмосферы, опускание суши, появление подземных источников)? какие первые органические вещества возникли в водах океана (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты)? какими свойствами обладали коацерваты ( рост, обмен веществ, размножение)? какие свойства присущи пробионту (обмен веществ, рост, размножение)? какой способ питания был у первых живых организмов(автотрофный, гетеротрофный)? какой новый способ питания появляется у прокариот (автотрофный, гетеротрофный)? какие органические вещества возникли с появлением фотосинтезирующих растений (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты)? возникновение каких организмов создало условия для развития животного мира (бактерии, синезеленые, зеленые водоросли)?
Развитие органической жизни на Земле
(по , 1924, и Дж. Холдейну, 1929)
Эра | Возраст | Этапы возникновения жизни | Процессы, происходящие на Земле |
Архейская | От 2,6 до 3,5 млрд. лет | 1 | Образование в водах океана из неорганических веществ органических в результате действия ультрафиолетовой радиации, грозовых разрядов и химических реакций. |
11 | Белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты концентрируются – образуют коацерваты, действующие как открытые системы, способные к росту. | ||
111 | В результате соединения и взаимодействия коацерватов с нуклеиновыми кислотами образуются живые существа — пробионты (проклетки),способные к самовоспроизведению. | ||
1У | Прогрессивное усложнение гетеротрофных примитивных организмов, возникновение автотрофного питания и свободного кислорода (предъядерные организмы — бактерии, гетеротрофы и фототрофы и синезеленые). | ||
Протерозойская | От 0,5 до 2,6 млрд. лет | Ядерные организмы | Появление ядерных автотрофных фотосинтезирующих растений (зеленые водоросли) и простейших; обогащение воды кислородом – среда обитания животных. |
Многоклеточные организмы | Прогрессивное усложнение животных и растений. Беспозвоночные животные: кишечнополостные, черви, моллюски; различные водоросли. | ||
Органные организмы | Прогрессивное усложнение тела животных (хордовые бесчерепные). |
Тема: Клеточная теория.
Прокариоты и эукариоты.
Основное содержание темы :клетка – элементарная живая система, основная структурная и функциональная единица растительных и животных организмов, способная к самовозобновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.
Вопросы для самоконтроля:
Кем, когда и на каком объекте была открыта клетка?
Дайте современное определение клетки.
В чем сущность клеточной теории и кто ее авторы?
С помощью каких приборов изучалась клетка в 19,20веках?
Какие формы жизни первыми появились на Земле?
Почему фаги и вирусы называют предклеточными организмами?
К каким формам жизни относят бактерии и синезеленые?
Какие из одноклеточных организмов имеют обособленное ядро?
Какие многоклеточные организмы считаются первичными в растительном и животном мире?
Чем отличается колониальный организм от многоклеточного?
Каковы последовательные этапы эволюции от пробионта до многоклеточных ядерных организмов?
Контрольная работа №4.
1.какие из перечисленных положений составляют основу клеточной теории (все организмы состоят из клеток; все клетки образуются из клеток; все клетки возникают из неживой материи)?
2.что представляет собой тело предклеточных организмов (ядро; цитоплазма;молекула ДНК или РНК, покрытая белковой оболочкой)?
3.какой способ питания характерен для вирусов и бактериофагов (паразитный, сапрофитный)?
4.какие организмы относят к клеточным предъядерным (бактерии, фаги, вирусы, синезеленые)?
5.какие организмы относят к одноклеточным ядерным (бактерии, амеба малярийная, хламидомонада, инфузория туфелька)?
6.какие организмы являются многоклеточными (кишечнополостные, бурые водоросли, бактерии)?
«Биология. Общая биология. Базовый уровень. 10-11 классы». В.И. Сивоглазов (гдз)
Вопрос 1. Какие космические факторы на ранних этапах развития Земли явились предпосылками для возникновения органических соединений?
На ранних этапах развития Земли органические соединения образовывались из неорганических абиогенным путем. Источником энергии для этих процессов служило ультрафиолетовое излучение Солнца. В атмосфере не существовало ни озона, ни кислорода, поэтому ультрафиолет ничем не задерживался и достигал поверхности планеты. Под его воздействием, а также при участии электрических грозовых разрядов из воды и газов образовывались простейшие органические вещества: формальдегид, глицерин, аминокислоты, мочевина и др.
Вопрос 2. Назовите основные стадии возникновения жизни согласно теории биопоэза.
Согласно теории биопоэза, сформулированной в 1947 г. английским физиком и историком науки Джоном Берналом (1901—1971), можно выделить три стадии возникновения жизни:
1) абиогенный синтез и накопление органических мономеров (формирование «первичного бульона»);
2) образование биологических полимеров и коацерватов (от лат. coacervus — сгусток);
3) формирование мембранных структур ипервичных организмов (пробионтов).
Основное место протекания всех этих процессов — древний океан.
Вопрос 3. Как образовывались, какими свойствами обладали и в каком направлении эволюционировали коацерваты?
Образование коацерватов было бы невозможно без взаимодействия органических веществ друг с другом и с неорганическими со¬единениями. В результате такого взаимодействия из жирных кислот и спиртов образовались липиды, из аминокислот — пептиды, из нуклеотидов — нуклеиновые кислоты. Липиды формировали пленки на поверхности водоемов, а белки — растворенные в воде полимерные комплексы. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, образовывали коацерваты — структуры, обособленные от остальной массы воды. В первичном океане коацерваты, или коацерватные капли, обладали способностью поглощать различные вещества. В результате этого внутренний состав коацервата претерпевал изменения, что вело или к его распаду, или к накоплению веществ, т. е. к росту и к изменению химического состава, повышающего устойчивость коацерватной капли. Судьба капли определялась преобладанием одного из указанных процессов. Академик А. И. Опарин отмечал, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля могла распадаться на дочерние. Дочерние коацерваты, структура которых мало отличалась от материнской, продолжали свой рост, а резко отличавшиеся капли распадались. Продолжали существовать только те коацерватные капли, которые, вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды не всякие вещества, а лишь такие, которые обеспечивали им устойчивость, а также способность выделять наружу продукты обмена. Постепенно увеличивались различия между химическим составом капли и окружающей средой. В процессе длительного отбора (его называют химической эволюцией) сохранились лишь капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т. е. приобрели свойство самовоспроизведения. Коацерваты обладали некоторыми признаками живого, но для превращений их в первые живые организмы не хватало биологических мембран. Эволюция коацерватов завершилась образованием мембраны, отделяющей их от окружающей среды и состоящей из фосфолипидов.
Вопрос 4. Расскажите, как возникли пробионты.
Мембраны пробионтов могли образовываться из липидных пленок на поверхности водоемов, к которым присоединялись плавающие в воде коацерваты. Для эволюции жизни были важны те коацерваты, которые содержали не только белок, но и нуклеиновые кислоты. Из их комплексов с липидами можно считать живыми организмами лишь те, которые оказлись способны к самовоспроизведению нуклеиновых кислот. Так возникли пробионты — примитивные гетеротрофы, живущие за счет органических веществ абиогенного происхождения («первичного бульона»). На этом этапе закончилась химическая и началась биологическая эволюция.
Вопрос 5. Опишите, как могло происходить усложнение внутреннего строения первых гетеротрофов.
Постепенно количество органических веществ абиогенного происхождения стало уменьшаться. Это привело к жесткой конкуренции между пробионтами, которая ускорила возникновение автотрофов, использующих для создания органики энергию солнечного света. Первые автотрофы использовали бескислородный путь фотосинтеза. Позднее появились цианобактерии, способные к фотосинтезу с выделением кислорода. Следствием накопления кислорода в атмосфере стало, во-первых, возникновение аэробных организмов, во-вторых, формирование защитного озонового слоя.
Параллельно происходило усложнение внутреннего строения клеток, которое в итоге привело к появлению эукариотов. Некоторые гетеротрофы вступали в симбиоз с аэробными бактериями, захватывая их и используя в качестве «энергетических станций» — будущих митохондрий. Такие симбионты дали начало животным и грибам. Другие гетеротрофы, помимо аэробных бактерий, захватывали и автотрофов-цианобактерий, которые стали хлоропластами. Так появились предшественники растений.
Вопрос 6. Почему невозможно самозарождение жизни в современных условиях?
Самозарождение жизни на Земле в настоящее время невозможно, поскольку в условиях современной богатой кислородом атмосферы органические соединения быстро разрушаются, не накапливаются и не достигают должной степени сложности. Кроме того, появления коацерватов и пробионтов не происходит из-за огромного количества гетеротрофов, очень быстро «поедающих» любое скопление органических веществ.