Молекулярно-генетический уровень жизни
Теория Эволюции
Методические указания к лабораторным занятиям
для студентов агрономического факультета
Миасское
2016
Методические указания к выполнению лабораторных занятий предназначены для студентов агрономического факультета обучающихся по направлению 35.03.04 «Агрономия», 35.03.07 «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» на очной и заочной формах обучения с целью освоения дисциплины «Теория эволюции».
Составитель:
Матвеева Е. Ю. – канд. биол. наук (Институт агроэкологии – филиал ФГБОУ ВО ЮУрГАУ)
Рекомендовано учебно-методической комиссией Института агроэкологии к использованию в учебном процессе и к изданию (протокол № 4 от 17.06.2016 г.)
© Южно-Уральский государственный аграрный университет, 2016
© Институт агроэкологии, 2016
Содержание
Структура и оценивание отчета по лабораторному занятию……………….4
Свойства и уровни организации живой материи………………….………….5
Моделирование эволюции………………………………………….…………24
Эволюционные взгляды ученых………………………………….…………..26
Эволюционные теории Ж. Б. Ламарка и Ч. Дарвина………….…………….79
Основные этапы развития органического мира……………….…………….90
Эволюция организмов как адаптациогенез…………………………………108
Генетические основы эволюции……………………………………………..118
Факторы макроэволюции……………………………………………………..128
Структура и оценивание отчета по лабораторному занятию
Отчет по лабораторному занятию используется для оценки качества освоения студентом образовательной программы по темам дисциплины. Отчет оценивается оценкой «зачтено», «не зачтено» (таблица 1).
Таблица 1 – Критерии оценивания отчета
| Шкала | Критерии оценивания |
| Оценка «зачтено» | - изложение материала логично, грамотно; - свободное владение терминологией; - умение высказывать и обосновать свои суждения при ответе на контрольные вопросы; - умение проводить и оценивать результаты измерений; - допускается наличие малозначительных ошибок или недостаточно полное раскрытие содержание вопроса или погрешность непринципиального характера в ответе на вопросы. |
| Оценка «не зачтено» | - отсутствие необходимых теоретических знаний; допущены ошибки в определении, не правильно оцениваются результаты измерений; - незнание основного материала учебной программы, допускаются грубые ошибки в изложении. |
Содержание отчета и критерии оценки ответа (таблица 1) доводятся до сведения студентов в начале занятий. Оценка объявляется студенту непосредственно после сдачи отчета.
Содержание отчета по лабораторному занятию
1 Тема лабораторного занятия
2 Выполненные задания
3 Ответы на контрольные вопросы
Свойства и уровни организации живой материи
Введение
Органический мир представляет собой единое целое, т. к. составляет систему взаимосвязанных частей (в которых существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен (состоит из отдельных единиц – организмов, или особей). Каждый живой организм также дискретен, так как состоит из отдельных органов, тканей, клеток, но вместе с тем каждый из органов, обладая определенной автономностью, действует как часть целого. Каждая клетка состоит из органоидов, но функционирует как единое целое. Наследственная информация осуществляется генами, но ни один из генов вне всей совокупности не определяет развитие признака и т. д.
С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризующихся свойствами соподчиненности, взаимосвязанности, специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень отличается особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку каждый организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой – сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы. На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего уровня. Характер клеточного уровня организации определяется молекулярным и субклеточным уровнями, организменный – клеточным, тканевым и т. д.
Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но из всего их многообразия основными являются молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой и биосферный.
Молекулярно-генетический уровень жизни
Для нормального жизненного цикла любому организму необходим определенный набор основных химических элементов. Этот набор включает в себя три группы элементов: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.
К макроэлементам, которые называют, органогенами относятся четыре элемента – углерод, кислород, азот и водород. Эти элементы составляют основную массу органического вещества клетки (95–99%).
К макроэлементам относят также калий, натрий, кальций, магний, фосфор, серу, хлор и железо, количество которых в клетке колеблется от десятых до сотых долей процента (1,9%).
Микроэлементами называют такие элементы, которые присутствуют в живых тканях в очень малых концентрациях (0,001% до 0,000001%). Эту группу составляют: марганец, железо, кобальт, медь, цинк, ванадий, бор, алюминий, кремний, молибден, йод (.01%). Входят в состав биологически активных веществ – ферментов, витаминов, гормонов.
Ультрамикроэлементы – элементы, содержание которых в клетке не превышает 0,000001%. Эту группу составляют золото, уран, радий и др.
Таким образом, для нормальной жизнедеятельности живая клетка нуждается в 24 природных химических элементах, каждый из которых имеет свое назначение, всего в клетках обнаружено 80 элементов.
Основными органическими веществами клетки являются углеводы, липиды, аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты.
К углеводам относят соединения углерода, которые подразделяют на три группы сахаридов. Углеводы играют важную роль в жизни организмов: они являются компонентом соединительной ткани позвоночных животных, обеспечивают свертывание крови, восстановление поврежденных тканей, образуют стенки растений, бактерий, грибов и т. д.
Липиды – разнообразные группы водоотталкивающих соединений, большая часть липидов представляет собой сложные эфиры трехатомного спирта, глицерина и жирных кислот, т. е. жиры. Жиры служат источником энергии и воды для клетки и организма в целом, кроме того они участвуют в терморегуляции организма, создавая теплоизолирующий жировой слой. Другие виды липидов выполняют защитную функцию, входя в состав наружного скелета насекомых, покрывая перья и шерсть.
Аминокислотами называют соединения, имеющие в своем составе карбоксильную группу и аминогруппу. Всего в природе встречается более 170 аминокислот. В клетках они выполняют функцию строительного материала для белков. Однако в составе белков встречаются только 20 аминокислот. Большинство аминокислот производится растениями и микроорганизмами. Однако у некоторых животных отсутствует часть ферментов, необходимых для синтеза аминокислот, поэтому они должны получать некоторые аминокислоты с пищей. Такие кислоты называются незаменимыми. Для человека восемь кислот незаменимы, а еще четыре заменимы только условно. Важнейшим свойством аминокислот является их способность вступать в реакцию полконденсации с образованием полимерных цепей – полипептидов и белков.
Белки являются главным строительным материалом для клетки. Они представляют собой сложные биополимеры, элементами которых выступают мономерные цепи, состоящие из различных сочетаний двадцати аминокислот. В живой клетке белков больше, чем других органических соединений (до 50% сухой массы).
Большинство белков выполняют функцию катализаторов (ферментов). Также белки играют роль переносчиков; например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения – результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Есть белки – антитела, функцией которых является защита организма от вирусов, бактерий и т. д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация из окружающей среды. Белки, которые называются гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.
Довольно хорошо изучены сегодня молекулярные основы обмена веществ в клетке.
Существует три основных типа обмена веществ (метаболизма):
Катаболизм, или диссимиляция – процесс расщепления сложных органических соединений, сопровождающийся выделением химической энергии при разрыве химических связей. Эта энергия запасается в фосфатных связях АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).
Амфоболизм – процесс образования в ходе катаболизма мелких молекул, которые затем принимают участие в строительстве более сложных молекул.
Анаболизм, или ассимиляция – разветвленная система процессов биосинтеза сложных молекул с расходованием энергии АТФ.
Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является механизм мутации генов – непосредственное преобразование самих генов, находящихся в хромосоме под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются: радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При этом механизме порядок расположения генов в хромосоме не меняется.
Еще один механизм изменчивости – рекомбинация генов. Это создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сами гены не меняются, а перемещаются с одного участка хромосомы на другой, или идет обмен генами между двумя хромосомами. Такой процесс имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации, он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей – они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.
Еще один механизм изменчивости был открыт лишь в 1950-е годы. Это – неклассическая рекомбинация генов, при которой происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего эти элементы привносятся в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них – плазмиды, представляющие собой двухцепочную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание к этим лекарствам, и они перестают действовать. Патогенные бактерии, против которых действует наше лекарство, связываются с плазмидами, которые придают этим бактериям устойчивость к лекарству, и бактерии перестают его замечать.
Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки – генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами. При этом конструируются новые, не существующие в природе сочетания генов с помощью генетических и биохимических методов. Для этого видоизменяется ДНК, которая кодируется для производства белка с нужными свойствами. На этом базируются все современные биотехнологии.
Онтогенетический уровень
Этот уровень возник в результате формирования живых организмов. Основной единицей жизни этого уровня выступает отдельная особь, а элементарным явлением – онтогенез. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему.
Онтогенез – процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации. В настоящее время не создана единая теория онтогенеза, поскольку не установлены причины и факторы, определяющие индивидуальное развитие организма.
Клеточный уровень. Сегодня наукой достоверно установлено, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка, которая представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т. е. наделена всеми признаками живого организма. Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным не представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. Она изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем, исследует приспособление к условиям среды и др. Также цитология изучает особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология может быть названа физиологией клетки.
Открытие существования клеток и их исследования произошло в конце XVII века, когда был изобретен первый микроскоп. Впервые клетка была описана английским ученым Робертом Гуком еще в 1665 году, когда он рассматривал кусочек пробки. Поскольку его микроскоп был не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле стенками отмерших клеток. Потребовалось почти двести лет, чтобы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а ее внутреннее содержание. Среди предшественников клеточной теории также следует назвать Антонии ван Левенгука (1632–1723), доказавшего, что ткани многих растительных организмов построены из клеток.
Т. Шванном и М. Шлейденом в 1838 году была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии XIX века. Именно эта теория дала решающие доказательства единства всей живой природы, послужила фундаментом для развития эмбриологии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также понимания индивидуального развития организмов. Мощный толчок цитология получила с момента создания генетики и молекулярной биологии. После этого были открыты новые компоненты клетки – мембрана, рибосомы, лизосомы и др.
По современным представлениям клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям – существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). В живом организме находятся миллиарды разнообразных клеток (до 1015), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).
Все клетки состоят из трех основных частей: плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно; цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация. Кроме того, все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли – цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. У растительных клеток также есть клеточная стенка (оболочка) и пластиды – специализированные структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зависит окраска клетки.
Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние клетки. Существует два способа деления клеток. Митоз – это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с набором хромосом, идентичным набору родительской клетки. При этом дочерним клеткам передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. После расхождения дочерние нити ДНК превращаются в хромосомы, образуя характерные для данного организма структуры. Этот способ размножения характерен для всех клеток, кроме половых.
Мейоз – это деление клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро. Этот механизм клеточного деления в природе встречается только при подготовке к половому размножению, при образовании половых клеток (гамет). При слиянии гамет в процессе оплодотворения получается опять диплоидный набор хромосом. Этот способ размножения характерен только для половых клеток.
Многоклеточные организмы также развиваются из одной клетки – яйца, но в процессе его деления клетки видоизменяются, что приводит к появлению множества разных клеток – мышечных, нервных, кровяных и т. д. Разные клетки синтезируют разные белки. Тем не менее, в каждой клетке многоклеточного организма есть полная генетическая информация для построения всех белков, нужных для этого организма.
В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы:
• прокариоты – клетки, лишенные ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. К ним относятся бактерии.
• эукариоты – клетки, содержащие ядра. Кроме того, в них есть митохондрии – органеллы, в которых идет процесс окисления. К эукариотам относятся простейшие, грибы, растения и животные, поэтому они могут быть одноклеточными и многоклеточными.
Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы разделить на два вида:
• автотрофные организмы – они не нуждаются в органической пище и могут жить за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т. е. сами производят необходимые им питательные вещества;
• гетеротрофные организмы – это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.
Многоклеточные организмы. Все многоклеточные организмы делятся на три царства: грибы, растения и животные. Их жизнедеятельность, а также работа отдельных частей многоклеточных организмов изучается физиологией. Эта наука рассматривает механизмы действия различных функций живого организма, их связь между собой, регуляцию и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела, это и есть процесс онтогенеза – развитие организма от рождения до смерти, при котором происходит рост, перемещение отдельных структур, дифференциация и усложнение организма. Этот процесс описывается на основе знаменитого биогенетического закона, сформулированного Эрнстом Геккелем (1834–1919), автором термина «онтогенез».
Биогенетический закон утверждает, что онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т. е. отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме проходит все стадии развития своего вида. Таким образом, онтогенез представляет собой реализацию наследственной информации, закодированной в зародышевой клетке, а также проверку согласованности всех систем организма во время его работы и приспособления к окружающей среде.
Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей.
Ткани – это группа физически объединенных клеток и межклеточных веществ, сходных по строению и функции. Их изучение является предметом гистологии. Ткани могут образовываться как из одинаковых, так и из разных специализированных клеток. Например, у животных из одинаковых клеток построен плоский эпителий, а из разных клеток – мышечная, нервная, соединительная ткани.
Органы – это относительно крупные функциональные части организма, выполняющие определенную функцию, состоящие из клеток различных типов и управляемые общим механизмом организма. В свою очередь, органы входят в состав более крупных единиц – систем организма. Среди них выделяют нервную, пищеварительную, сердечнососудистую, дыхательную и др. системы. Каждая из этих систем включает действующие органы и иерархию управляющих механизмов.
Собственно живой организм можно представить как комплекс физиологических систем, обеспечивающих его гомеостаз и адаптации. Он образуется в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов одного организма) с фенотипом (комплексом внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального развития). Таким образом, организм представляет собой стабильную систему внутренних органов и тканей, существующих во внешней среде. Однако, поскольку общая теория онтогенеза пока еще не создана, многие процессы, происходящие во время развития организма, еще не получили своего полного объяснения.