Биологический уровень организации материи

На этих этапах сложилась  первичная атмосфера Земли, которая  носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер. Кроме  того, она была богата инертными  газами (гелием, неоном, аргоном). Первичная  атмосфера утрачена, а на ее месте  образовалась вторая атмосфера Земли, состоящая на 20% из кислорода —  одного из наиболее химически активных газов. Эта вторая атмосфера —  продукт развития жизни на Земле, одно из его глобальных следствий.

Возникновение сложных  органических соединений. Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений (в частности, белковых веществ нуклеиновых кислот) в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись, полимеризировались и образовывались углеводы, жиры, аминокослоты, белки и нуклеиновые кислоты.

С определенного этапа  в процессе химической эволюции на Земле активное участие стал принимать  кислород. Он мог накапливаться в  атмосфере Земли в результате разложения воды и водяного пара под  действием ультрафиолетовых лучей  Солнца

С накоплением в атмосфере  кислорода восстановленные соединения начали окисляться. Так, при окислении  метана образовались метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота и  т.д., которые вместе с дождевой водой попадали в первичный океан. Эти вещества, вступая в реакции с аммиаком и цианистым водородом, дали начало аминокислотам и соединениям типа аденина. Важно и то, что более сложные органические соединения являются более стойкими, чем простые соединения, перед разрушающим действием ультрафиолетового излучения.

Образование фазовообособленных систем. Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ и образованием фазовообособленных систем. Такие системы носят открытый характер и способны взаимодействовать с внешней средой. «Механизм», определяющий образование фазовообособленных систем, — так называемая неспецифическая самосборка, спонтанное упорядоченное объединение биополимеров за счет образования нековалентных, вторичных связей (ионные, водородные, межмолекулярного взаимодействия). Особенно активно такое объединение происходит в условиях пространственной взаимодополняемости (взаимное соответствие) поверхностей взаимодействующих молекул (комплементарность). Фазовообособленные системы — это некие протоклетки (пробионты). В качестве пробионтов могли выступать коацерваты — мельчайшие коллоидальные частицы, капли, обладающие осмотическими свойствами.

В водах первичного океана концентрация органических веществ  увеличивалась, происходили их смешивание, взаимодействие и объединение в  мелкие обособленные структуры раствора.

Такие структуры довольно просто получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например желатина и альбумина. Эти обособленные в  растворе органические многомолекулярные  структуры русский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями, или коацерватами

Кроме коацерватов в «первичном бульоне» накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно формирование способности к самовоспроизведению и обмену веществ. Катализаторами могли быть и неорганические вещества.

Возникновение простейших форм живого. Главная задача в учении о происхождении жизни — объяснить возникновение матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм конвариантной редупликации. Именно поэтому завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составныхчастей, генетического кода, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным скачком в эволюции материи. Однако механизм перехода пока не ясен.

На этот счет существуют разные гипотезы, но все они так или иначе не полны. В настоящее время наиболее перспективными считаются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации (см. 15), синергетики [1], на представления о гиперциклах, т.е. системах, связывающих самовоспроизводящиеся (автокаталитические) единицы друг с другом посредством циклической связи.

В дальнейшем предбиологический  отбор коацерватов, по-видимому, происходил в нескольких направлениях. Во-первых, в направлении выработки способности  накапливать белковоподобные полимеры, ответственные за ускорение химических реакций. В результате строение нуклеиновых  кислот изменялось в направлении  преимущественного «размножения»  систем, в которых удвоение нуклеиновых  кислот осуществлялось с участием ферментов.

Во-вторых, в системе коацерватов  происходил и отбор самих нуклеиновых  кислот по наиболее удачному сочетанию  последовательности нуклеотидов. На этом пути формировались гены.

Развитие органического  мира

Начальные этапы  эволюции жизни. Более 3,8 млрд лет назад на дне мелководных, теплых и богатых питательными веществами морей, водоемов возникла жизнь в виде мельчайших примитивных существ — простейших клеток, обладающих способностью деления и передачи дочерним клеткам наследственных свойств родительских клеток.

Первый период развития органического  мира на Земле характеризуется тем, что первичные живые организмы  были анаэробными (жили без кислорода), питались и воспроизводились за счет «органического бульона», возникшего из неорганических систем; иначе говоря, они питались готовыми органическими  веществами, синтезированными в ходе химической эволюции, т.е. были гетеротрофами.

Развивался процесс образования фотосинтеза.

Фотосинтез обеспечивает организму получение необходимой  энергии от Солнца и вместе с тем  независимость от внешних источников питательных веществ. Переход к  фотосинтезу и автотрофному питанию  был великим революционным переворотом  в эволюции живого. Значительно увеличилась  биомасса Земли. В результате фотосинтеза  кислород стал выделяться в атмосферу  в значительных количествах.

У эукариотов ДНК уже собрана  в хромосомы, а хромосомы сосредоточены  в ядре клетки. Такая клетка воспроизводится  без каких-либо существенных изменений. Это значит, что в неизменной природной  среде «дочерние» клетки имеют столько  же шансов на выживание, сколько их имела «материнская» клетка.

Переход от прокариотов к эукариотам. Первые организмы — прокариоты представляли собой клетки, у которых не было ядра, генетическая система закреплена на клеточной мембране, деление клетки не включало в себя точной дупликации генетического материала. Прокариоты — это простые, выносливые организмы, обладавшие высокой вариабельностью, способностью к быстрому размножению, легко приспосабливающиеся к изменяющимся условиям природной среды

Образование царства  растений и царства животных. Дальнейшая эволюция эукариотов была связана с разделением на растительные и животные клетки. Это разделение произошло еще в протерозое (около 1—1,5 млрд лет назад), когда мир был заселен одноклеточными организмами.

Следующим важным этапом развития жизни и усложнения ее форм было возникновение примерно 900 млн лет назад полового размножения — механизма слияния ДНК двух индивидов и последующего перераспределения генетического материала. В результате потомство похоже на родителей, но не идентично им, изменчивость потомства увеличивается. Это способствует росту эффективности естественного отбора, значительно повышает видовое разнообразие, резко ускоряет эволюцию, позволяет быстрее приспосабливаться к изменениям окружающей среды.

Значительным шагом в  дальнейшем усложнении организации  живых существ было появление  примерно 700—800 млн лет назад многоклеточных организмов. Характерные особенности их — различие клеток, слагающих их тело; их дифференцирование и объединение в комплексы тканей и органов, выполняющих разные функции в системе организма

В протерозое и в начале палеозоя многоклеточные растения населяют моря. Жизнь развивается в воде.

В ордовике, примерно 500 млн лет назад, появляются и первые позвоночные — животные, имеющие скелеты. Это было значительной вехой в истории жизни на Земле.

Дальнейшая эволюция позвоночных  шла в направлении образования  челюстных рыбообразных, которые  быстро вытеснили большинство бесчелюстных. В девоне возникают и двоякодышащие  рыбы, которые были приспособлены  к дыханию в воде, но обладали и легкими.

В девоне возникает и другой чрезвычайно прогрессивный и  богатый видами класс животных —  насекомые. Появление насекомых  свидетельствовало о том, что  в ходе эволюции сложились два  разных способа укрепления каркаса  тела (основных несущих органов и всего тела в целом) и совершенствования форм отражения. У позвоночных роль каркаса играет внутренний скелет, у высших форм беспозвоночных — насекомых — наружный.

Завоевание суши. Важнейшим событием в эволюции форм живого являлся выход растений и живых существ из воды и последующее образование большого многообразия наземных растений и животных. Из них в дальнейшем и происходят высокоорганизованные формы жизни.

Эволюция растений после  выхода на сушу была связана с усилением  компактности тела, развитием корневой системы, тканей, клеток, проводящей системы, изменением способов размножения, распространения  и т.д. Переход от трахеид к сосудам обеспечивал приспособление к засушливым условиям — по сосудам вода может подниматься на большую высоту. В наземных условиях оказались непригодными для размножения свободно плавающие голые половые клетки; здесь для целей размножения формируются разносимые ветром споры или семена. Постепенно происходит дифференциация тела на корень, стебель и лист, развивается проводящая система, совершенствуются покровные, механические и другие ткани.

Вышедшие на сушу рептилии дали множество видов; они осваивали  все новые места обитания: большинство  уходило от воды, а некоторые вновь  ушли в воду (мезозавры).

От примитивных рептилий, из группы цельночерепных, развивается ветвь, приведшая несколько позже — в триасе — к млекопитающим. В юрском и меловом периодах млекопитающие стали более разнообразными. В конце мезозоя появились плацентарные млекопитающие.

В конце мезозоя в условиях похолодания сокращаются пространства, занятые богатой растительностью, что влечет за собой вымирание  в конце мела сначала растительноядных динозавров, а затем и охотившихся  на них хищных динозавров. При этом исключительные преимущества получают теплокровные животные — птицы и  млекопитающие.

Кайнозой — время расцвета насекомых, птиц и млекопитающих. В  палеоцене появляются первые хищные млекопитающие, а некоторые виды млекопитающих «уходят» в море (китообразные, ластоногие, сиреновые). От древних хищных происходят копытные. От некоторых видов насекомоядных обособляется отряд приматов. В плиоцене встречаются уже все современные семейства млекопитающих.

В кайнозое формировался стайный, стадный образ жизни, который  явился ступенькой к социальному  общению

6.Основы  генетики

 ► Генетика (от греч. gen3tikos – «происхождение») – это наука о законах наследственности и изменчивости.^[6]

Наследственность следует понимать как свойство всех родительских особей передавать свои признаки потомству, благодаря чему живые организмы сохраняют определенные свойства в пределах вида на протяжении множества поколений. В то же время для организмов характерным является свойство изменения фенотипических и генотипических признаков, то есть изменчивость.

► Изменчивость – это способность живых организмов приобретать новые признаки.

Различают наследственную (генотипическую) и ненаследственную (модификационную) изменчивость.

Ненаследственная изменчивость возникает под влиянием тех или иных факторов внешней среды и характеризуется:

♦ групповым характером изменений;

♦ соответствием возникших изменений действию определенного фактора среды;

♦ изменениями, которые могут развиваться в определенных пределах (норма реакции).

Наследственная  изменчивость связана с изменением генотипа и сохраняется в ряду поколений. Различают мутационную и комбинативную наследственную изменчивость.

Мутационная изменчивость (или мутации) представляет собой спонтанные скачкообразные изменения генетического материала, возникающие вследствие нарушений в структуре генов или хромосомы.

Основные понятия  генетики

Ген – участок молекулы ДНК, определяющий возможность развития одного признака или синтеза белковой молекулы.

Доминантные гены – гены, проявляющиеся у гибридов и подавляющие развитие одного признака; расположены на одних и тех же участках хромосом и определяют развитие одного признака. Обозначаются прописной буквой: А, В…

Рецессивные гены – гены, подавляемые доминантными, не проявляющиеся у гибридов первого поколения. Обозначаются строчной буквой: а, в.

Аллельные гены – гены, расположенные на одних и тех же участках хромосом и определяющие развитие одного признака.