Жизнь во Вселенной

Возникновение и основные свойства жизни

Проблема жизни в понимании Вернадского

• Один из крупнейших учёных нашей страны• Академик Вернадский так сформулировал

проблему жизни:• Было ли когда-нибудь и где-нибудь начало

жизни и живого или жизнь и живое такие

же вечные основы космоса, какими явля-

ются материя и энергия? Характерна ли

жизнь и живое только для одной Земли

или это есть общее проявление космоса?

Когда и как возникла жизнь на Земле

• Наша планета возникла около 5 млрд. лет тому назад. Облик Земли был тогда иным. Жизни на ней не было. В атмосфере практически отсутство- вал свободный кислород. Температу- ры тоже были другими. На Землю падало много метеоритов.

После возникновения Земли начались постепенные измене- ния температуры, атмосферы и других характеристик планеты. Это была эволюция, но без участ- ия биологической составляющей. Так могла выглядеть тогда Земля

Предбиологическая эволюция

• Условия на Земле менялись, а жизни ещё не было.• Это была предбиологическая эволюция.• Постепенно на Земле появлялись всё более сложные

молекулы. Сложные органические молекулы эволюционировали.

• Так как жизни при этом ещё не возникло, то строгое научное этого процесса абиогоенная эволюция.

• По имеющимся оценкам жизнь появилась на Земле где-то около 3,5 млрд. лет тому назад.

• Однако, есть место в северных горах, где найдены следы жизни ещё более древние – 3,8 млрд. лет тому назад.

• Этот период 3,5--3,8 млрд. лет тому назад можно считать временем возникновения жизни на Земле.

• Точнее определить его мы пока не можем.

Как мы судим о возрасте жизни на нашей планете

• Изучая геологические слои мы часто находим кости, отпечатки живых существ и растений в этих слоях.

• Это позволяет нам говорить о наличии жизни на Земле в соответствующий период времени

• Отпечатки, типа того, что приведён на рисунке – это относительно близкий к нам период.• В более ранних слоях таких отпечатков нет. В этих случаях о наличии жизни обычно судят по при- сутствию осадочных пород.

Определение понятия жизнь и о том, как узнать, когда она возникла

• Этот рисунок просто фантазия.• Автор считает, что так выгляде-• ла Земля в период перед началом• биологической эволюции.• Что же произошло при

появлении жизни?• Для этого надо ответить на

вопросы о том, что такое

жизнь и откуда она появи-

лась.

Как определить, что такое жизнь

• На первый взгляд кажется достаточно очевидным, что такое жизнь. Кажется, что очень просто сказать, какие объекты являются живыми, а какие нет.

• На самом деле – это обманчивое впечатление. Нам так кажется потому, что в нашем повседневном существовании мы обращаем внимание на контакты только с высоко- организованными формами жизни.

• Низкоорганизованные формы жизни мы на практике не видим, хотя и часто сталкиваемся с ними, например при пищевых отравлениях, болезнях и т.д. Промежуточные между жизнью и не жизнью переходные формы материи уже давно исчезли на Земле.

• Именно поэтому точно определить, что такое жизнь очень и очень непросто.

Как определяли, что такое жизнь

• Самым желательным было бы написать чёткое, краткое и понятное определения понятия жизнь.

• Такие попытки люди делали уже

в античные времена. Делал их и• Аристотель. Его изображение при-

ведено справа.• Перечислить всех авторов этих

определений сложно.

В чем трудности определения жизни

• В России многие ещё помнят определение жизни, которое было дано Фридрихом Энгельсом

• В нём говорилось, что жизнь – это форма существования белковых тел. К этому ещё добавлялось кое-что об энергетическом обмене с окружающей средой.

• Это безусловно верно, но не всеобъемлюще.• Мы не уверены в том, что жизнь не может существовать и

без наличия белков.• Список недостатков приведённого определения легко

продолжить.• Практически все известные определения жизни не могут

претендовать на полноту и правильность.

Почему так трудно дать определение жизни

• Определить понятие жизни сложно, так как, несмотря на огромное количество экспериментальных и теоретических исследований мы знаем о жизни далеко не всё.

• Основных трудностей здесь две.• Первая- мы не можем создать жизнь искусственно и

поэтому ещё многого не понимаем.• Вторая трудность – это то, что нам известна жизнь только

на Земле. Это единичный случай. Никаких сравнений мы сделать не можем. Все предсказания и оценки пока что принципиально не проверяемы.

• Именно поэтому многие биологи и палеонтологи даже не хотят рассматривать этот вопрос, отдавая его в рамки философии или религии, что не всегда разумно.

• Мы должны помнить, что если не искать ответа, то случайно получить его очень трудно.

Перечисление свойств жизни

• Вместо того, чтобы стремиться дать исчерпывающее определение понятия жизнь можно пойти несколько иным путём.

• Этот путь изучения проблемы часто используется в науке.• Он состоит в выявлении и перечислении всех основных

свойств понятия. В данном случае речь идёт об основных свойствах жизни.

• В этом перечислении не должно быть ни одного лишнего свойства. Иными словами все свойства в этом перечисле- нии должны быть обязательными. Отсутствие хотя бы одного из них, должно приводить к тому, что объект с уверенностью нельзя считать живым.

• Перечисление свойств должно также обладать полнотой. Ни одно важное свойство не должно быть пропущено.

• Выполнить такое перечисление свойств очень не просто.

Основные свойства (характеристики) жизни

• Для того, чтобы сказать, что такое жизнь, надо дать определение жизни, то есть сформулировать её принципиальные признаки.

• Это оказывается крайне сложной задачей.• Мы уже говорили, что имеются разные уровни организации

биологической организации материи.• Напомним, что это: молекулярно-генетический уровень

клеточный уровень, тканевый уровень, организменный уровень, популяционный уровень, биоценотический уровень и биосферный уровень.

Эти уровни составляют иерархию.

О попытках дать научное определение понятия жизнью.

• Определение жизни должно отражать все уровни, которые были только что перечислены.

• В то же время оно должно быть справедливым для каждого из уровней в отдельности.

• Это определение должно чётко отделять живое от неживого. Оно должно включать основные характеристики (отличия) жизни и в то же самое время не включать в себя ничего лишнего.

• Опыт показывает, что это неимоверно трудная задача.• Одной из наиболее принципиальных трудностей при

решении этой задачи является то, что мы знаем только единичный случай – жизнь на Земле.

• О других возможностях возникновения и существования жизни мы можем рассуждать только гадательно.

Определение жизни по Энгельсу

• В России хорошо известно определение• Жизни данное Фридрихом Энгельсом.• Согласно этому определению• Жизнь – это форма существования

белковых тел.• Очень часто к этому добавляется

уточнение о наличии у живых

белковых структур энергетического

обмена с окружающей средой.

Ещё раз об определении жизни по Энгельсу

• В принципе в определении жизни, которое было сделано Энгельсом, нет принципиальных ошибок.

• Тем не менее, мы до сих пор не знаем, можно или нет встретить живую материю в небелковой форме.

• Это определение непродуктивно, ибо существуют тела, которые не обладают жизнью, хотя и имеют энергетический обмен с окружающей средой.

• Мы не будем больше останавливаться на этом определении.

• Скажем, однако. что практически все попытки дать определение жизни приводят к аналогичным или другим, но тоже принципиальным затруднениям.

• Всё сказанное привело к тому, что от попыток дать строгое определение понятия жизнь наука на данном этапе её развития отказалась.

О перечислении свойств жизни

• В тех случаях, когда по тем или иным причинам нельзя дать строгое определение некоего понятия идут другим путём.

• В этом случае «просто» перечисляют все свойства, которыми должно обладать это понятие.

• В список свойств должны входить все необходимые свойства. В то же время в этом списке не должно быть ни одного лишнего свойства.

• Такой подход к анализу понятия вполне обоснован.• Этот подход в чём-то более прост, чем попытка дать

строгое определение.• В то же время при реализации такого подхода количество

трудностей остаётся очень большим.• Здесь тоже возможны принципиальные осложнения.

Об основных свойствах жизни

• Перечислить все свойства жизни не очень просто.• Задачей является выделить принципиальные свойства

жизни.• Мы уделим основное внимание только этим принци-

пиальным свойствам и, сосредоточимся, главным образом, на тех из них, которые являются для нас

новыми в том смысле, что они не изучались в школьные годы.

Рассмотрение свойств и признаков живого

• Итак, первое, что мы можем сказать: Жизнь является открытой системой, которой свойственна иерархическая организация, способность к самовозобновлению, обмен веществ и тонкие регуляторные процессы.

• Без этих свойств жизнь не может существовать.• В то же самое время каждое из этих свойств в отдельности

ещё не обеспечивает наличие жизни.• В последние годы стало очевидным, что для понимания

жизни, как явления, очень важно понятие информации и установления того факта, что жизнь связана с накоплением, закреплением и передачей информации.

Об одной особенности информации

• Характерной особенностью информации, столь важной для понимания феномена жизни, является то, что в отличие, например, от энергии, информация способна легко накапливаться и увеличиваться.

• Именно это обстоятельство заставляет внимательнейшим образом изучить роль информации в процессе описания жизни, как явления.

Основные свойства живого

1. Самовозобновление. Оно основано на обмене веществом и энергией с окружающей средой, способности хранить и использовать биологическую информацию.

2. Самовоспроизведение. Оно обеспечивает преемственность между поколениями биологических систем.

3. Саморегуляция. Она основана на использовании потоков вещества, энергии и информации.

4. Динамическое равновесие химических процессов в живом организме

5. Способность к росту живого организма.

О необходимости новых определений

• Для того, чтобы с уверенностью говорить о признаках живого, нам необходимо дать определение нескольких новых понятий, которые, возможно, понятны интуитивно.

• Эти понятия в большинстве случаев в школе не изучаются.

Что такое метаболизм

• Метаболизм в широком смысле – это процесс, охватывающий усвоение пищевых веществ и построение из них организма (анаболизм), а также распад в организме веществ (катаболизм).

• Метаболизм в узком смысле – это превращение внутри клеток организма определённых веществ, после их поступления в организм. Это превращение заканчивается образованием конечных продуктов.

• Метаболизм обеспечивается сложной регуляцией процессов химического синтеза и химического распада внутри организма.

Что такое гомеостаз.

• Гомеостазом называют поддержание постоянного состояния в физиологических, а также в социальных системах.

• Гомеостаз реализуется с помощью механизмов саморегуляции, которые используют внутренние обратные связи.

• Для понимания гомеостаза важно усвоить, широко используемые, например в информатике, понятия положительной и отрицательной обратной связи.

• Пример гомеостаза – при изменении внешней температуры

температура нашего тела остаётся постоянной за счёт регуляции процессов выделения энергии внутри организма и теплоотдачи во внешнюю среду.

Что такое раздражимость

• Раздражимость – это реакция организма на изменения свойств внешней среды.

• Раздражимость состоит в получении информации от внешней среды и реакции на эту информацию

• Именно на основе раздражимости осуществляются саморегуляция организма и гомеостаз.

Что такое репродукция, наследственность и изменчивость

• Репродукцией называют процесс воспроизведения себе подобных.

• Наследственность – это поток информации между поколениями живых существ. Наследственность обеспечивает преемственность свойств между поколениями живых организмов.

• Изменчивостью называют появление новых признаков организма, возникающую в процессе репродукции. Изменчивость является основой биологической эволюции

Что такое онтогенез и филогенез

• Онтогенезом называют процесс индивидуального развития организма. В процессе онтогенеза происходит реализация индивидуальной программы, заложенной в организм в момент его появления на свет.

• Филогенез – это историческое развитие организмов. Эволюция живого организма в процессе филогенеза осуществляется в результате наследственной измен -чивости и таких процессов, как естественный отбор и борьба за существование. Об этих процессах мы будем говорить в дальнейших лекциях.

• Закон: Онтогенез является кратким и сжатым

повторением филогенеза.

Что такое обмен веществ

• Обмен веществ – это особый способ взаимодействия живых организмов со внешней средой.

• Обмен веществ требует постоянного притока некоторых веществ и энергии из внешней среды. Он также требует выделения в эту среду некоторых веществ – продуктов диссимиляции.

• Именно благодаря наличию обмена веществ живой организм является открытой системой.

• Обмен веществ – это питание, дыхание, фотосинтез и т.д.

Основные признаки живого

• Вне зависимости от того на каком уровне иерархии биологического существования находится организм.

он обладает обменом веществ,

раздражимостью. Способ-

ностью к репродукции, воз-

можностью передавать

наследственную информа-

цию и и изменчивостью.

Он также характеризуется

метаболзмом и гомеостазом.

Циклы

• Одной из основных особенностей жизни является способность к усложнению её форм.

• Это проявляется в возникновении

сложных циклов.• Такие циклы являются прообразом

циклов, характерных для формиро-

вания экосистем.

. Для возникновения жизни важны

те циклы, которые могут запасать

энергию в световой фазе и расхо-

довать её в теневой фазе.

Передача информции в организме

• Передача информации в организме

идёт от молекул ДНК через молекулы• РНК.• И те, и другие молекулы обладают

определённой вращательной ори-

ентацией.• Молекула ДНК левовращающая

(см. рисунок)• Для обеспечения этого процесса,

называемого редупликацией, должна

была возникнуть хиральная чистота,

о которой шла речь на прошлой лекции.

Передача информации на молекулярно-генетическом уровне

• Вот так можно представить

себе процесс передачи информа-

ции в белках.

Заключительные замечания о том, чем характеризуется жизнь

• Несмотря на то, что мы знаем очень много о том, какими свойствами характеризуется жизнь, мы очень плохо понимаем то, что же это на самом деле такое.

• Этот вопрос давно и глубоко волнует науку.• Мы же пока отметим для себя, что для определения

понятия жизни мы всё же имеет недостаточно знаний.• Единственное, что мы можем с уверенностью сказать, это

то, что в начале существования нашей планеты жизни на ней не было, а затем после длительного этапа предбиоло- гической эволюции на Земле появилась жизнь.

• Основной вопрос, который при этом необходимо решить – это то, каким образом на Земле появилась жизнь.

• Это тоже очень сложный вопрос.

О возникновении жизни

• Мыв первую очередь интересуемся возникновением жизни на нашей планете.

• Других мест в Космосе, где существует жизнь мы ещё не знаем, хотя ряд предположений этого плана имеется.

• Поэтому вопрос о возникновении жизни –это вопрос о её возникновении на Земле, и возникновении её в Космосе.

• Это разные вопросы, но ответы на их тесно связаны.• Именно поэтому мы будем просто говорить о возникно-

вении жизни, не всегда уточняя о Земле или Космосе идёт речь.

• В то же время нас главным образом будет интересовать именно наша планета.

Каким образом могла возникнуть жизнь

• Есть несколько разных гипотез о возникновении жизни.• Строго научно доказать, какая из них справедлива и могла ли жизнь возникнуть разными па- раллельными путями нельзя.• По существу, речь идёт не о доказательствах, а о вере в ту или иную гипотезу.• Тем не менее, есть наиболее • вероятная гипотеза о воз- никновении жизни.• На ней мы в дальнейшем и • сосредоточимся.

Основные гипотезы о возникновении жизни.

• Есть несколько основных гипотез о возникновении жизни.• Сначала мы их просто перечислим, а затем коротко

опишем каждую из них.• Наиболее важные гипотезы о возникновении жизни: 1. Жизнь была создана сверхестественным существом – креационизм. 2. Жизнь возникала неоднократно из неживого вещества – самозарождение. 3. Жизнь существовала всегда – стационарная гипотеза. 4. Жизнь занесена на нашу планету извне – панспермия. 5. Жизнь возникла однажды в результате процессов, которые подчиняются химическим и физическим законам - биохимическая эволюция.

Креационизм

• Гипотеза о творении жизни самая простая и древняя.• Она не может ответить не• на вопрос о том, Зачем было творение.• Ещё сложнее понять, как произошло творение: сразу ли возникли все нынешние формы жизни или же были созданы только простейшие формы, а потом шла эволюция. Не ясно откуда на Земле столько вымерших видов.

Трудности креационизма

• На вопросы, которые мы

сформулировали в предыду-

щем слайде, креационизм не

может дать никакого ответа.• В то же время строго дока-

зать его ошибочность невоз-

можно.

Теория самозарождения жизни

• Представления о том, что жизнь постоянно самопроизвольно возникает на Земле имеет древнее происхождение.• Так, пока люди не знали микробов они думали, что в гниющем мясе сами собой заводятся червяки и мухи.• Было множество «гипотез» подобного рода.• После того, как Левенгук открыл Спаланцани микробов, теория самозарождения жизни была быстро отвергнута.• Большая заслуга в этом принадлежит Лаццаро Спаланцани

и Луи Пастеру.

Теория стационарного состояния

• Теория стационарного состояния предполагает, что жизнь всегда была и будет существовать во Вселенной.

• Её сторонники считают, что она, также как материя и энергия существует вечно.

• Эти взгляды, в частности, разделял крупнейший учёный, один из создателей теории ноосферы, академик Вернадский.

• Эта теория порождает множество вопросов, которые пока остаются без ответа.

• Один из них – это вопрос о том, почему вначале жизни на Земле не было, а затем она возникла.

Теория панспермии

• Эта теория предполагает, что жизнь на Землю занесена из космоса, например метеоритами.• Эта теория была предложена в • 1865 году немецким учёным • Рихтером. Её разделяли такие крупнейшие учёные, как

У. Томпсон, Аррениус и Гельмгольц.• На поверхности метеоритов найдены органические молекулы.• Они, однако, не обладают хиральной чистотой.• Теория панспермии оставляет вопрос о возникновении

жизни открытым, перенося его с Земли в космос.

К гипотезе панспермии

• Так выглядят органические структуры, которые приносят на Землю метеориты.

К гипотезе панспермии

• Так представляют

сторонники этой

теории возникновение

жизни из органичес-

ких кирпичиков, зане-

сённых на Землю ме

теоритами.

Ещё раз о гипотезе панспермии

• Предполагая то. что жизнь разносится по Вселенной, нельзя забывать, что тем не менее жизнь должна была возникнуть в конкретной точке в конкретный момент времени.

• Это означает, что надо иметь хотя бы некие общие предположения о том. где находится эта точка и о том, когда произошло возникновение в ней жизни.

• Без ответа на эти вопросы панспермия может рассматриваться только, как дополнение к другим теориям возникновения жизни.

• Это и является основной трудностью данной теории.

Биохимическая эволюция

• Идеи биохимической эволюции были впервые высказаны в 1924 году академиком А.М. Опариным.

• В 1929 году аналогичные представления были развиты английским учёным Дж. Холдейном.• Согласно их представлениям жизнь возникла в первичном горячем океане в конце до- биологической эры эволюции Земли.• Эту эру иногда называют катархейской эрой.

А.М. Опарин

Основы представлений и биохимической эволюции по Опарину

• В горячем «бульоне» первич- ного океана появляются обособленные от раствора органические многомолеку- лярные структуры.• Их называют коацерватами.• Академик Опарин сумел искусственно получить коацерваты, которые были белковыми комплексами.• Они могли обмениваться с окружающей средой ве- ществами, а также избирательно накапливать некоторые вещества.• Коацерваты похожи на живые клетки, но всё же живыми не

являются.• Живые клетки пока ещё никому получить не удавалось.

Замечание о химическом составе живой клетки

• Таблица Менделеева насчитывает 118 элементов.• В составе живой клетки эти элементы представлены по-

разному.• Основными являются несколько элементов таблицы

Менделеева. Их называют макроэлементами.• Элементы, которые представлены в малых концентрациях

называют микроэлементами.• Остальные элементы называют ультрамикроэлементами.• C, H, O, N – это 90% состава живой клетки.• P – это около 1 % от состава живой клетки.• Всего же важными и нужными для живой клетки являются

только 11 элементов периодической системы.

Достоинства и недостатки теории биохимической эволюции

• Теория биохимической эволюции является наиболее состоятельной из всех теорий возникновения жизни.

• Она хорошо согласуется с большинством известных фактов и представлений.

• Тем не менее и эта теория не может полностью ответить на все вопросы, которые связаны с возникновением жизни

• Как и все остальные теории она не может объяснить возникновение хиральной чистоты.

• В то же время ряд положений и представлений теории биохимической эволюции подтверждены опытным путём.

• Эти опыты связаны, в первую очередь, с работами американского учёного Миллера.

• Сразу же подчеркнём, что ни в одном эксперименте всё же не удалось получить искусcтвнную жизнь и обеспе- чить получение хиральной чистоты.

Опыты Миллера

• В 50-х годах XX века

американский учёный

Миллер попытался

имитировать усло-

вия, которые были на

Земле в период воз-

никновения на ней

жизни.

Схема опытов Миллера

• В двух колбах помещались те вещества, которые по предположению были на Земле в период возникновения на ней жизни.• Температура была высокой. Она соот- ветствовала температурам того вре- мени.• Высокое электрическое напряжение порождало искры, которые имити- ровали грозовые разряды, так как предполагалось, что в этот период над поверхностью Земли бушевали грозы.

Результаты опытов Миллера

• В опытах Миллера 1953 года удалось синтезировать ряд органических соединений, в том числе столь важные для жизненных процессов аминокислоты.

• При дальнейшем развитии этих экспериментов С. Фоксу удалось соединить аминокислоты в короткие нерегулярные цепи.

• Это был безматричный синтез полипептидов.• Однако, для возникновения жизни надо, чтобы возникшие

макромолекулы смогли соединиться в клетку.• Этот последний шаг является неимоверно трудным для

понимания. Путей решения этой задачи пока что не видно.• Таким образом теория биохимической эволюции, давая

больше результатов по сравнению с другими теориями возникновения жизни, окончательного ответа на вопрос всё же не даёт.

Где возникла жизнь.

• В соответствии с предположениями А.М. Опарина жизнь возникла в «бульоне» первичного горячего океана.• Однако, есть и другие гипотезы о том месте, где возникла жизнь на Земле.• Так, Ч. Дарвин считал, что жизнь возникла в маленьком водоёме.• Некоторые считают, что она воз- никла в кусках льда или, наоборот. в вулканической магме.• Точного ответа на этот вопрос нет.

О местах, где могла возникнуть жизнь в результате биологической эволюции

• Такими могли быть химические реакции при возникновении жизни в местах вулканической активности

Теоретические успехи последних десятилетий

• Большие успехи в понимании процесса возникновения жизни связаны с нелинейной термодинамикой.

• Эта наука описывает поведение очень далёких от равновесия систем.

• Её важнейшим результатом является описание того, как «самопроизвольно» могут возникнуть структурированные (разделённые на части) системы.

• На основе теории Дж. Фон Неймана удалось показать, что способность к самовоспроизведению, то есть к размно- жению, возникает после достижения определённого уровня сложности системы.

• Все эти результаты пока только начальные шаги.• Для дальнейших успехов нужен новый принципиальный

теоретический скачок.

Об уточнении понятия жизнь

• Мы уже говорили о том, что дать точное научное определение понятия жизнь, наука пока не может.

• Не может она до конца справиться и с задачей о перечислении основных важных характеристик жизни.

• Тем не менее, есть некоторые уточнённые представления о том, что же это всё-таки такое - Жизнь.

• Мы можем приближенно сказать следующее: Жизнь – это самподдерживающаяся химическая реакция,

которая может вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции. Особи производят подобных себе потомков и в последующих поколениях проявляют изменчивость, накопленную в мутациях.

• Это очень нестрогое определение. Оно просто подводит некий итог нашему нынешнему уровню знаний.

Ещё раз о некоторых основных представлениях молекулярной биологии

• Для того. чтобы в органической системе возникла жизнь, необходимо. Чтобы некие молекулы обладали свойствами, которые мы перечислили ранее.

• Большинство специалистов считает. Что этими свойствами обладают молекулы рибонуклеиновой кислоты – РНК.

• Разные типы этих молекул на ранних стадиях биологи- ческой эволюции могли удваиваться и подвергаться мутациям. Таким реализовался естественный отбор.

• В результате естественного отбора возникла молекула ДНК – хранитель генетической информации. Она стала катализатором синтеза всех известных нам белковых молекул

Возникновение клетки

• Со временем «живая система» из из РНК и ДНК нашла себе приют внутри пространства, окружённого липидной мембраной.• Мембрана защищала внутренние молекулы от внешних воз- действий. Это был прообраз живой клетки.• Живая клетка дала начало всем основным ветвям жизни.

Со временем клетки Разные специ- специализировались. ализированные клетки наших тканей.

Первые шаги жизни на Земле

• Как мы только что сказали, возникшая• жизнь ещё не имела законченной • клеточной формы.

• Приблизительно так мы представляем себе первые живые существа.

Простейшие существа нынешнего времени

• Эти существа намного сложнее первых существ на Земле. Тем не менее, глядя на них, можно попытаться представить первичные формы жизни на Земле

Первые этапы жизни на Земле

• Здесь отражены первые типы жизни и то, как биологическая

эволюция пошла

разными путями.

О необходимости новых определений

• Рассмотрение нового этапа биологической эволюции связано с использованием ряда новых понятий.

• Для понимания дальнейшего материала нам нужно снова дать определения нескольких новых понятий.

Что такое прокариоты

• Термин прокариоты происходит от греческих слов pro – перед и karyon – ядро.

• Наряду с термином проnjкариоты используются и другие термины для обозначения этого типа жизни. Мы их не приводим.

• Прокариоты – это древнейшие организмы. Они не имеют чётко выраженного ядра клетки.

• Наследственная информация передаётся с помощью ДНК.• Прокариоты размножаются делением. Нет никакого

полового процесса• К прокариотам ныне относятся вирусы, бактерии, сине-

зелёные водоросли, микоплазмы и т.д.• Сейчас известно около 6.000 видов протокариотовю• Прокариотов иногда выделяют в особое царство природы.

Что такое эукариоты

• Эукариоты или простейшие – это организмы, которые существуют или в одноклеточном виде или в виде колоний.

• Эукариоты занимают промежуточное положение между животным и растительным миром.

• Обычно их классифицирую как тип. Однако. иногда их, также как и прокариотов, выделяют в особое царство природы.

Объяснение термина митохондрии

• Термин митохондрии (или хондросомы) составлен из греческих слов mitos – нить, chondrion – зёрнышко и

soma – тельце. Это гранулярные или нитевидные органоиды. На рисунке их колония.

Что такое митохондрии

• Митохондрии – это окружённые

двойной мембраной органеллы.• Они специализируются на синтезе

одной из важнейших кислот, которая

осуществляет энергетическое пи-

тание живых клеток.

митохондрии – это • Митохондрии – это «энергетические

станции» живой клетки.• За небольшими исключениями

митохондрии имеются у всех

эукариотических клеток.

Чем нам интересны митохондрии

• Интерес к митохондриям связан не только с их ролью в энергети- ческом обеспечении живой клетки.• Митохондрии достались всем жи- вым существам в наследство от их далёких предков.• Сравнивая митохондрии разных организмов, мы можем сделать заключение о степени их родства.• Это позволяет производить изучение последовательности развития жизни в процессе эволюции.

Как происходила биологическая эволюция на Земле после возникновения на ней жизни.

• Подведём некоторые итоги сказанному по нашей теме.• Примерно 4 млрд. лет тому назад на Земле загадочным

(для нас) образом возникают молекулы РНК. Они способны к удвоению, воспринимают мутации, наконец «создают» ДНК.

• 3,9 млрд. лет тому назад появляются одноклеточные организмы. Они, наверно, были похожи на современные бактерии. Это прокариоты.

• 2 млрд. лет тому назад появляются сложноорганизованные• Эукариотные клетки. Они усложни ли своё строение за счёт

поглощения других прокариотных клеток. Появляются митохондрии. Возникает фотосинтез.

• 1,2 млрд.лет тому назад взрыв эволюции ознаменованный появлением полового размножения. Появляются новые высокоорганизованные формы: животные и растения.

Периодизация биологической эволюции

• Как развивалась

жизнь после её

возникновения

видно из этой

таблицы.

Дальнейшая эволюция после возникновения жизни

• Кроме приводившейся

таблицы нам полезно

рассмотреть эту ди-

аграмму.

Условный календарь биологической и исторической эволюции на нашей планете

• Таблицы и диаграмма предыдущих слайдов не позволяют наглядно ощутить масштабы времени.

• Для того, чтобы это можно было почувствовать иногда используют некий условный календарь.

• В этом календаре считается, что наша планета возникла в 0 часов, 0 минут и 0 некоего условного года.

• Все остальные события на Земле считаются произошедшими в разное время этого года.

• На следующем слайде история Земли и эволюция жизни на ней приведены в датах этого календаря.

События на Земле в датах условного календаря

• Земля возникла 1 января.• Первые живые клетки возникли в марте-апреле.• Первые позвоночные появились в начале декабря.• Динозавры появились 20 декабря.• Первые приматы появились 28 декабря.• Обезьяны появились 31 декабря.• Неандертальцы появились к вечеру 31 декабря.• Гомо сапиенс появился 31 декабря в 23 часа 57 минут• Иисус Христос родился в 23 часа 59 минут и 50 сек.• Промышленная революция началась в 23 часа 59 минут и

59 сек.

Вот как распределяется историческое время.

Что можно увидеть из данных о времени отдельных этапов биологической эволюции

• Анализируя приведённые выше данные мы видим, что после возникновения жизни эволюция долго «собиралась с силами».

• Относительное время существования на Земле простейших форм жизни во много раз превышает время существования сложных форм жизни.

• Скачок бурного развития наступил после возникновения полового размножения и появления на планете свободного кислорода.

• Кислород появился в результате деятельности простейших организмов.

История фольксвагена

• Работы конструктора Порше, создателя машины фольксваген начались ещё в 30-е годы XX века.

• В начале 50-х годов была

создана модель «жук».• Эта модель просщество-

ствовала очень долго.

Когда её сняли с про-

изводства выяснилось,

что неизменным

только корпус. Все

остальные части были

изменены.

Биологическая эволюция и «эффект фольксвагена»

• Эволюция долго

имела с бактериями.• Высокоорганизо-• ванная жизнь воз-

никла поздно.• Бактерии накапли-

али изменения, не

меняя числа клеток.• Внутри они менялись.

Это называют «эффектом фольксвагена» в эволюции.

Что осталось от бактерий в нашем организме

• Несмотря на то, что мы ушли от бактерий очень далеко в нашем организме сохранились следы бактерий-предков.

Половое раз- Реснички Захват других клеток

множение

Митохондрии Жгутики

Почему половое размножение сыграло столь большую рольв возникновении многообразия форм жизни

• Для того, чтобы ответить на этот вопрос, надо отойти немного в сторону и посмотреть на проблему в целом.

• При взгляде на мир нас всегда поражает многообразие форм жизни и высокая их приспособленность к конкретным условиям существования каждой её формы.

• Впечатление от этой целесообразности подсказывает идею о направленности эволюции, наличии у неё некоего плана.

• Точка зрения о том. что всё в природе идёт к заранее намеченным путям по строго определенным направлениям называется телеологией.

• В неё можно верить и опровергнуть логикой такую веру не просто.

• На самом деле эволюция идёт путем перебора разных вариантов развития

Как надо правильно поставить вопрос

• Эволюция на самом деле отбрасывает плохие варианты.• Это не значит, что она выбирает наилучшие из них.• Можно говорить только о целесообразности результатов• При изучении той или иной проблемы с телеологичесой

точки зрения задаётся вопрос зачем.• При изучении её с нормальной эволюционной точки зрения

надо спрашивать почему.• Итак, мы будем интересоваться вопросами: 1. Почему в результате эволюции организмы приобрели индивидуальную смертность? 2. Почему в результате эволюции возникло половое размножение?• Ответы на эти вопросы взаимосвязаны.

Решающая роль мутаций

• В процессе жизни клетки составляющие её молекулы постоянно обновляются.

• Наследственная информация, используемая при воспроизводстве. Подвержена сбоям – мутациям.

• Без мутаций процесс развития и совершенствования жизненных форм замедлится.

• Однако, если в течение жизни накопить много мутация, то система организма в целом «становится дефектной».

• Поэтому самое целесообразное – это на некотором пути создать несколько полноценных копий организма, а затем сам исходный организм вместе с избыточными ошибками мутациями уничтожить.

• Таким образом индивидуальный организм становится смертным, а вид в целом бессмертным.

• Это бессмертие понимается, как очень длинное, а не бесконечное существование.

Существует ли бессмертие у отдельного организма

• Мы только что сказали, что у организмов индивидуальная смертность обеспечивает эффективность существования вида.

• Тем не менее, у самых очень древних организмов, возникших до появления «эффекта смертности» бессмертие в смысле отсутствие процесса старения и естественного умирания известно.

• Таким свойством обладают бактерии.• Бессмертны и раковые клетки. Однако, это именно клетки,

а не организмы.• Бактерии же иногда всё же включают механизм

смертности.

Почему возникает половой процесс

• Разные особи накапливают разные ошибки.• При смешении их наследственных свойства в потомстве

достигается большое разнообразие изменений.• Это убыстрят эволюционный процесс и делает его более

эффективным.• В то же время наследование свойств двух особей

позволяет за счёт «сильных» доминантных признаков, подавить «слабые» - рецессивные признаки.

• Это повышает эффективность эволюционного процесса.• К этому вопросу мы вернёмся более подробно в следющих

лекциях.

Запрограммированная смерть клетки

• Смерть клетки – это постоянное проявление жизнедеятельности многоклеточного организма.

• В здоровом состоянии организм компенсирует смерть клеток их регенерацией, то есть рождением новых клеток.

• Есть два вида смерти клеток:

1. Некроз –смерть под влиянием внешних воздействий

(несчастный случай, болезнь).

2. Апоптоз – запрограммированная природой смерть

клетки (её самоубийство).

• Обычно смерть клетки происходит после определённого числаа её делений. Апоптоз «безболезненен». Он происходит, в частности, путём ослпбления и гибели митохондрий.

О происхождении термина апоптоз

• Термин апоптоз был предложен в 1972 году.• Он происходит от двух греческих слов apo – отделение и

ptosis – падение.• Такое название связано с тем, что впервые подобное

явление было описано древнеримским врачом Галеном.• Гален заметил, что если ветку дерева, на которой уже

начали опадать листья, надломить, то процесс опадения листьев прекращается.

• Это означает. что опадание листьев идёт не за счёт внешних обстоятельств,а за счёт заранее запрограммированного физиологического процесса.

• При надломе ветки этот запрограммированный процесс прекращается.

О проявлении апоптоза

• Апоптоз универсально распространён в мире многоклеточных организмов.

• Понимание апоптоза важно для борьбы с рядом болезней.• Есть болезни, когда надо попытаться апоптоз

приостановить• В случае раковых клеток наоборот желательно вызвать у

них апоптоз, то есть спровоцировать самоубийство.• Дальнейшее рассмотрение этой очень интересной

проблемы выходит за рамки изучаемых нами вопросов.

Ход эволюции после эволюционного взрыва, бывшего 1,2 млрд. лет тому назад

• После возникновения

полового размножения

начался бурный всплеск

видообразования• Организмы увеличива-

лись в размерах.нача-

лась кислородная ре-

волюция. • Со временем жизнь

вышла на сушу.

Начальные формы морской жизни эпохи начинающегося расцвета

• Питание растений идёт частично путём фотосинтеза.

Жизнь в море эпохи палеозоя

• Здесь собраны воедино разные формы ископаемой морской фауны.

В море появляются первые позвоночные

• Так мы представляем себе первых хордовых (наши очень далёкие предки).

Бурная жизнь в море

• Расцвет рыб и других морских видов.

Выход жизни на сушу

• Это происходило на обширных отмелях

• Кистепёрая рыба – предок земных существ.

Современная иллюстрация выхода жизни на сушу

• Этот вид акулы открыт совсем недавно – в первые годы XXI века.

• Это акула, которая пол-

зает по песчаному дну

на плавниках.• Можно полагать, что

она чем-то похожа

на тех рыб, которые

в далёкие времена

впервые вышли на

сушу.

Древний лес

• Гигантские насекомые и огромные деревья.• Влажный жаркий климат.

Эпоха ящеров

• Так выглядели по нашим представлениям леса той далёкой эпохи.

Древние ящеры

• Морские Летающие

Скелет летающего ящера – предка птиц

• В частях скелета отмечены

те кости. Которые харак-

терны и для ящеров, и

для птиц.

Первые млекопитающие

• Австралийская ехидна.• Ехидна и утконос имеют

клюв, откладывают яйца

и выделяют молоко про-

сто из кожи живота.• Они сохранились до

настоящего времени.

Они собраны вместе

• Так мы представляем

древних животных

далёких эпох.

После ухода со сцены гигантских ящеров маленькие зверьки-млекопитающие захватывают мир, превращаясь в

гигантов.

• В конце эпохи на сцену выходит человек.• Возникновение пред-

ков человека и их

эволюция – наша

следующая тема.

Влияние живых организмов на эволюцию Земли. как целого

• Геологическая эволюция планеты Земля создала условия для возникновения и развития разных форм жизни.

• Жизнь, в свою очередь, также влияет на геологию, атмосферу и другие характеристики Земли, как планеты.

• Мы уже знаем несколько примеров такого влияния: 1. Возникновение осадочных пород. 2. Изменение состава атмосферы и появление в ней свободного кислорода. Кислородная революция произошла 600 млн. лет тому назад. 3. Зелёная растительность влияет на спектры отражения и поглощения солнечного света.• В то же время разные формы жизни влияют и друг на

друга, а вызванные жизнью изменения условий на планете в свою очередь опять влияют на эволюцию жизни.

О влиянии жизни на планету и взаимном влиянии форм жизни друг на друга

• Свободный кислород, созданный одними видами жизни, повлиял на возникновение новых форм жизни. Те, в свою, очередь стали теснить старые, анаэробные формы.

• Насекомые и цветковые растения взаимно повлияли на эволюцию друг друга.

• Само появление хищников было бы не возможно без наличия растительных форм жизни.

• Многие из проблем этого типа можно рассмотреть с помощью простейших математических моделей.

• Одной из таких моделей является модель Лавлока.• Рассмотрением той модели мы и закончим нашу лекцию.

Модель Лавлока.

• Пусть имеется по всем своим характе-

ристикам похожая на Землю.• Пусть она вращается вокруг Звезды,

которая напоминает наше солнце.• Пусть планета имеет материки с

хорошим обводнением.• Пусть единственной формой

жизни на этой планете, которая

называется «Маргаритовый мир»

будут маргаритки.

Дополниельные условия модели Лавлока

• Пусть на планете есть две формы маргариток – светлые и тёмные.

• Эти растения могут существовать

в диапазоне от 5 до 40 градусов

Цельсия.• Лучше всего эти растения разви-

ваются при 20 градусах.• Пусть Солнце этой планеты

постепенно увеличивает свою

светимость, также как и настоящие

звёзды.

Рассмотрим решение этой крайне упрощённой задачи

• Когда планета прогреется до 5 градусов на ней появятся цветы.

• Их соотношение во всех местах планеты будет в среднем одинаковым.

• Однако там. Где случайно тёмных цветов больше, свет будет отражаться слабее.

• Температура там будет повышаться.• В тех местах, где случайно будет больше светлых цветов,

температура будет понижаться.• В результате тёмные цветы вытеснят практически все

светлые.• После того, как температура повысится до 20 градусов

ситуация изменится и светлые цветы будут побеждать тёмные.

Окончание решения

• Псле того, как температура поднимется до 40 градусов жизнь на планете опять исчезнет.

• Таким образом на планете из-за взаимодействия будут последовательно существовать две формы растений.

• Таким образом, меняя отражение света, цветы взаимодействуют друг с другом.

• Однако самое интересное в другом:

Весь «период жизни» из-за изменения отражения температура поверхности планеты будет неизменной

и равной 20 градусам.• Эта задача интересна тем, что она показывает, как

неожиданно может сказаться появление жизни на планете

на её свойствах как целого.