Появление клетки как исходная точка биологической эволюции
Процессы, предшествовавшие возникновению жизни на Земле, несомненно, совершались на основе тех же физических и химических законов, которые действуют на Земле и ныне. Этот естественнонаучный принцип актуализма позволяет утверждать, что происхождение жизни связано с последовательным протеканием химических реакций на поверхности первичной планеты. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т.д.) и углерода (способность к восстановлению и образованию линейных соединений) определили то, что именно они оказались у колыбели жизни. Химические и физические свойства различных атомов и молекул делали обязательными взаимодействия между ними. Процессы возникновения жизни путем химических преобразований молекул не имели единичного и неповторяемого характера, а могли протекать в неодинаковых условиях на разных участках поверхности Земли.
На этапе химической эволюции происходил абиогенный синтез органических полимеров. На втором этапе формировались белково-нуклеиново-липоидные комплексы (ученые называли их по-разному: коацерваты, гиперциклы, пробион-ты, прогеноты и т. д.), способные к упорядоченному обмену веществ и самовоспроизведению. В результате предбиологи-ческого естественного отбора появились первые примитивные живые организмы, которые вступили в биологический естественный отбор и дали начало всему многообразию органической жизни на Земле. Большинство ученых считают, что первыми примитивными живыми организмами были прокариоты. Они питались органическими веществами «первичного бульона» и получали энергию в процессе брожения, т. е. были анаэробными гетеротрофами. С увеличением численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе получали организмы, способные к автотрофности, т. е. к синтезу органических веществ из неорганических за счет реакций окисления и восстановления. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии. Следующим этапом было развитие фотосинтеза — комплекса реакций с использованием солнечного света. В результате фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволила организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ. Существуют две наиболее признанные гипотезы происхождения эукариотических клеток и их органоидов. Первая гипотеза связывает происхождение эукариотиче-ской клетки и ее органоидов с процессом впячивания клеточной мембраны Больше сторонников имеет гипотеза симбиотического происхождения эукариотической клетки. Согласно этой гипотезе, митохондрии, пластиды и базальные тельца ресничек и жгутиков эукариотической клетки были когда-то свободноживущими прокариотическими клетками. Органоидами они стали в процессе симбиоза. В пользу этой гипотезы свидетельствует наличие собственных РНК и ДНК в митохондриях и хлоропластах. По строению РНК митохондрии сходны с РНК пурпурных бактерий, а РНК хлоропластов ближе к РНК цианобактерий. Данные, полученные в последние годы в результате изучения строения РНК у различных групп организмов, возможно, заставят пересмотреть устоявшиеся взгляды. Сравнивая последовательность нуклеотидов в рибо-сомных РНК, ученые пришли к выводу, что все живые организмы можно отнести к трем группам: эукариотам, эубакте-риям и архебактериям (две последние группы — прокариоты). Поскольку генетический код во всех трех группах один и тот же, была выдвинута гипотеза, что они имеют общего предка, которого назвали «прогенот» (т. е. прародитель). Предполагается, что эубактерий и архебактерий могли произойти от прогенота, а современный тип эукариотической клетки, по-видимому, возник в результате симбиоза древнего эукариота с эубактериями.
Возникновение клеток
Предполагается, что этапом возникновения жизни на Земле следует считать период, когда сформировались простейшие клеточные системы, ставшие элементарной ячейкой живого. Сведения, касающиеся этой проблемы, освещены в обзорах, посвященных происхождению жизни на Земле (см. 9.1).
На ранних стадиях биологической эволюции последние протобионты и первые бионты поглощали из окружающей среды органические молекулы, синтезированные абиогенным путем. Таким образом, они были необычными существами - анаэробными абиоорганотрофами, использующими растворенные в первичном бульоне органические соединения. Предполагается, что со временем запасы абиогенного органического материала в древних водоемах истощались. Эти условия могли благоприятствовать тем клеткам, которые приобрели способность использовать простейшие неорганические соединения в качестве строительного материала, а солнечный свет и химическую энергию - в качестве источника энергии. В условиях истощения органического материала появились первые аутотрофные, или абиотрофные, клетки, способные использовать углекислый газ, и первые фотосинтезирующие клетки. Раньше всего, возможно, возникли фотосинтезирующие гетеротрофы, использующие ультрафиолет ( см. также гл. 1).
Первыми фотосинтезирующими клетками, спосособными выделять кислород, были синезеленые водоросли, возраст которых составляет около 3 млрд. лет. До их появления кислорода в атмосфере было очень мало или не было вообще. Фотосинтезирующие азотфиксирующие сине-зеленые водоросли - кульминационный момент адаптации к существованию в первобытных морях, лишенных органических углеродных и азотистых соединений. С появлением фотосинтезирующих клеток в качестве побочного продукта фотосинтеза в атмосферу стал освобождаться молекулярный кислород. С этого времени уровень кислорода в атмосфере возрастал до его современного значения. В связи с этим произошло появление новых экологических ниш. При увеличении концентрации свободного кислорода стало возможным его использование в качестве высокоэффективного акцептора электронов в аэробном метаболизме. После появления в атмосфере кислорода, по-видимому, возникли аэробные клетки, которые могли вырабатывать на одну молекулу экзогенной глюкозы больше энергии, чем анаэробные организмы. Завершающей стадией было развитие аэробного дыхания и окислительного фосфорилирования, составляющих основу биоэнергетики современных организмов.
Следующий скачок в эволюции - появление эукариотических клеток - произошел примерно 2 млрд. лет назад. Существует предположение, дискутируемое в последние годы, что эукариотические клетки появились благодаря симбиозу. Предполагается, что эукариоты произошли из крупных анаэробных прокариотических клеток, в которые вселились мелкие фотосинтезирующие прокариоты, становящиеся эндосимбионтами. Тогда клетки-хозяева обеспечивали гликолитическое брожение, а клетки-симбионты - фотосинтез или дыхание. Такие эндосимбионты могли стать предшественниками хлоропластов и митохондрий современных клеток. В ходе биологической эволюции под воздействием различных факторов могли возникать изменения в нуклеотидной последовательности генома и происходить отбор наиболее приспособленных мутантов. На развитие аэробных позвоночных и сосудистых высших растений потребовалось более 1 млрд. лет. Человек появился около 1,5-2 млн. лет назад, человек современного вида (Homo sapiens) - примерно 40000 лет назад, а по некоторым данным еще раньше.
Эволюция клетки
Химический этап начался около 4,5 млрд лет назад. Под действием ультрафиолетового излучения, радиации, грозовых разрядов (источники энергии) происходило образование сначала простых химических соединений – мономеров, а затем более сложных – полимеров и их комплексов (углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот).
Биологический этап образования клеток начинается с появления пробионтов – обособленных сложных систем, способных к самовоспроизведению, саморегуляции и естественному отбору. Пробионты появились 3-3,8 млрд. лет назад. От пробионтов произошли первые прокариотические клетки – бактерии. Эукариотические клетки произошли от прокариот (1-1,4 млрд. лет назад) двумя путями:
1)Путем симбиоза нескольких прокариотических клеток – это симбиотическая гипотеза;
2)Путем инвагинации клеточной мембраны. Суть инвагинационной гипотезы заключается в том, что прокариотическая клетка содержала несколько геномов, прикрепленных к клеточной оболочке. Затем происходила инвагинация – впячивание, отшнуровка клеточной мембраны, и эти геномы превращались в митохондрии, хлоропласты, ядро.
Дифференциация и специализация клеток.
Дифференциация – это формирование различных типов клеток и тканей в ходе развития многоклеточного организма. Одна из гипотез связывает дифференцировку с экспрессией генов в процессе индивидуального развития. Экспрессия – процесс включения тех или иных генов в работу, который создает условия для направленного синтеза веществ. Поэтому происходит развитие и специализация тканей в том или ином направлении.
Строение ядра. Деление клетки
План
1.Строение и функции клеточного ядра.
2.Хроматин и хромосомы.
3.Клеточный и митотический циклы клетки.
Строение и функции клеточного ядра.
Ядро – обязательная часть эукариотической клетки. Главная функция ядра – хранение генетического материала в форме ДНК и передача ее дочерним клеткам при клеточном делении. Кроме того, ядро управляет белковыми синтезами, контролирует все процессы жизнедеятельности клетки. ( в растительной клетке ядро описал Р.Броун в 1831г., в животной – Т.Шванн в 1838г.)
Большинство клеток имеет одно ядро, обычно округлой формы, реже неправильной формы.
Размеры ядра колеблются от 1мкм (у некоторых простейших) до 1мм (в яйцеклетках рыб, земноводных).
Встречаются двуядерные клетки (клетки печени, инфузорий) и многоядерные (в клетках поперечно – полосатых мышечных волокон, а так же в клетках ряда видов грибов и водорослей).
Некоторые клетки (эритроциты) – безъядерные, это редкое явление, носит вторичный характер.
В состав ядра входят:
4)хроматин или хромосомы. Хроматин находится в неделящемся ядре, хромосомы – в митотическом ядре.
Оболочка ядра состоит из двух мембран (наружной и внутренней). Наружная ядерная мембрана соединяется с мембранными каналами ЭПС. На ней располагаются рибосомы.
В мембранах ядра имеются поры (3000-4000). Через ядерные поры происходит обмен различными веществами между ядром и цитоплазмой.
Кариоплазма (нуклеоплазма) представляет собой желеобразный раствор, который заполняет пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). Она содержит ионы, нуклеотиды, ферменты.
Ядрышко, обычно шаровидной формы (одно или несколько), не окружено мембраной, содержит фибриллярные белковые нити и РНК.
Ядрышки – не постоянные образования, они исчезают в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания. Ядрышки имеются только в неделящихся клетках. В ядрышках происходит формирование рибосом, синтез ядерных белков. Сами же ядрышки образуются на участках вторичных перетяжек хромосом (ядрышковых организаторах). У человека ядрышковые организаторы находятся на 13,14,15,21 и 22 хромосомах.
Как на пустой Земле миллиарды лет назад зародилась Жизнь из Ничего ? Рассказываю как появилась живая клетка
Дрожжи
Представьте что Вы маленькие дрожжи. Да-да, те самые несчастные дрожжи, что поднимают тесто наших пирогов. Вы сидите во тьме своего пакетика из "Пятерочки" и дрожите в ожидании, когда огромный человек решит Вашу маленькую судьбу.
Как думаете, чем Вы отличаетесь от человека? Ничем, с точки зрения жизни.
Живое от мертвого отличается лишь двумя вещами: ростом и размножением. Если вы одноклеточный организм такой как дрожжи, вы начнете с малого. Когда вас выпустят из упаковки на свет, вы станете большим, поделитесь на два маленьких грибка. А они поделятся снова, снова и снова. И поднимут тесто.
Цветное изображение эндотелиальной клетки (фото Wikipedia Commons) Цветное изображение эндотелиальной клетки (фото Wikipedia Commons)Если вы человек или сложный многоклеточный организм, вы как дрожжи появитесь из одной клетки, только оплодотворенной (яйцеклетки). А затем вырастите, дадите новую жизнь, состаритесь и уступите жизнь другим.
Белки
В основе любой жизни одна клетка. Клетка дышит и размножается, образует колонии и мутирует, меняя организм. Клетки - настоящие эстремалы, многим не нужен кислород и они живут где хотят. В теле человека до 100 триллионов клеток, это бесконечная вселенная жизни.
Живую клетку создают мертвые белки. Химическая конструкция из неровностей, трещин и выпуклостей похожа на хаос. Но это все не зря. Белки появляются и пытаются закрепиться всем этим с другими белками намертво.
трехмерная конструкция белка. справа красное - захваченные белком молекулы кислорода. они сработают как топливо при запуске жизни в клетке трехмерная конструкция белка. справа красное - захваченные белком молекулы кислорода. они сработают как топливо при запуске жизни в клеткеКак сцепляются ваши пальцы или детали конструктора LEGO в детских руках. Когда белки находят себе пару и скрепляются, они начинают формировать тысячи структур будущей живой клетки.
Белки формируют нити - это скелет клетки, он удерживает остальное. Белки формируют каналы клетки по которым мчатся ионы, ионы - поезда и кровь клетки, разряды что порождают жизнь. Священники назовут это душой. Белки формируют рецепторы клетки, они отвечают за реакцию нашего организма на холод, жару и прочее.
орда белков весело лепит новую живую клетку захватывая органические молекулы вокруг себя орда белков весело лепит новую живую клетку захватывая органические молекулы вокруг себяБелки как пластилин еще лепят молекулы ДНК и гены. Гены формируют геном - конечный набор генов существа, в геноме образец для его роста и воспроизводства новых поколений.
Уфф, сложновато, правда? Зато теперь Вы знаете основы эволюции по Дарвину :)
"Окей! - спросит пытливый читатель, - я увидел из чего состоит жизнь. Но как жизнь появилась на Земле?" Вечный вопрос, на который наука даст три варианта ответа.
Первичный бульон
Эта теория советских биологов крутится вокруг появления аминокислот, неживых веществ создающих белки. Мертвая атмосфера после рождения Земли не имела кислорода, зато имела водород, пар, метан и аммиак.
первичный бульон закипал на молодой Земле порождая жизнь возникновением аминокислот и белков. что потом породят живые клетки первичный бульон закипал на молодой Земле порождая жизнь возникновением аминокислот и белков. что потом породят живые клеткиЭта смесь идеальна для появления аминокислот и рождения белков. В 1953 году эксперимент Миллера - Юри доказал, что удары электричества (молний) в такой атмосфере могут создать аминокислоты и белки, которые затем переродятся в клетки.
Гидротермальные жерла
Эта версия доказывает, что ранняя атмосфера Земли препятствовала развитию жизни так как не было озонового слоя и ультрафиолетовые лучи Солнца выжигали сушу. И единственное место для зарождения жизни было на дне океана.
Гидротермальные жерла Марианской впадины выпускают жидкость, богатую барием, кальцием, кремнием и углекислым газом, формируя аминокислоты. А те делают белки живых клеток (фото Wikipedia Commons) Гидротермальные жерла Марианской впадины выпускают жидкость, богатую барием, кальцием, кремнием и углекислым газом, формируя аминокислоты. А те делают белки живых клеток (фото Wikipedia Commons)Это гидротермальные источники горячей воды, выходящие со дна (как на Камчатке или в Минеральных водах). Там и сейчас живут экстремальные клетки и простые микроорганизмы. Они вполне могли породить жизнь миллиарды лет назад.
Теория Панспермии
Отсутствие озонового слоя на ранней Земле привело к космической бомбардировке длиной в миллиард лет. Жидкая атмосфера не сжигала метеориты в небе Земли и они радостно падали на планету целехонькими.
Панспермия предполагает что живые клетки прибыли к нам из космоса на метеорите Панспермия предполагает что живые клетки прибыли к нам из космоса на метеоритеТеория Панспермии предполагает что на каких-то метеоритах были внеземные клетки и достигнув дна океана или суши они породили земную жизнь.
Сегодня биология и химия знает, как рождается и развивается жизнь. Но единства в вопросе как жизнь появилась на планете, в научном мире нет. Видимо спор науки и религии будет вечным.
А может, не в наших силах разгадать главный вопрос мироздания? Ведь по большому счету, мы с Вами просто маленькие дрожжи, что пытаются поднять тесто.
Доисторическая Земля: 1 Четыре Эпохи Земли 2 Рождение Жизни 3 Как возникла Земля
Читайте также: