Жизнь - это способ существования открытых коллоидных систем

Тема: Происхождение жизни. Молекулярная эволюция. Человек в
системе природы. Роль биологии в подготовке врача.
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные вопросы:
Происхождение жизни.
Доказательства эволюции органического мира.
Свойства и признаки живого. Уровни организации живого.
Человек в системе природы. Видовые признаки человека.
Медицинские аспекты биологии.
I. Жизнь - способ существования открытых коллоидных систем, обладающих свойствами самовоспроизведения, саморегуляции и самообновления на основе взаимодействия белков и нуклеиновых кислот,
вследствие преобразования потоков вещества, энергии и информации.
Гипотезы происхождения жизни на Земле.
I. Креационизм (жизнь создана Творцом).
II. Самозарождения (жизнь возникала неоднократно из неживого вещества).
1
III. Стационарного состояния (этернизма) - жизнь существовала всегда.
IV. Панспермии (жизнь занесена на Землю с других планет).
V. Коацерватная (биохимическая) гипотеза Опарина-Холдейна
(1924-1929 гг.): жизнь является закономерным результатом химической
эволюции соединений углерода во Вселенной. Процесс возникновения
жизни включает этапы:
I. Химическая эволюция:
1. Возникновение органических веществ из неорганических абиогенным путем.
2. Образование из более простых органических веществ биополимеров (белков, НК, полисахаридов).
3. Возникновение примитивных самовоспроизводящихся организмов (коацерватов).
II. Переход от химической эволюции к биологической:
4. Появление мембранных структур (протобионтов)
III. Биологическая эволюция.
2
Химическая эволюция. Возраст Земли 4,5 млрд. лет. Температура
Земли – до +8000°С, атмосфера – восстановительная. По мере остывания
углерод и тугоплавкие металлы (алюминий, кальций, железо, магний, натрий, калий) конденсировались и образовывали земную кору. Поверхность Земли была неровной, и в результате вулканической деятельности,
непрерывных подвижек и сжатия, вызванного охлаждением, образовывались складки и возвышения. Легкие газы – водород, гелий, азот, кислород и аргон – уходили из атмосферы. Простые соединения (вода, аммиак,
диоксид углерода, метан, цианистый водород) удерживались у Земли.
При остывании Земли у ее поверхности конденсировались пары
воды, что привело к образованию первичного океана. Под воздействием
энергии (разряды молний, солнечная энергия) и внутреннего тепла Земли
из простых соединений образовались более сложные органические вещества, а затем и биополимеры. Отсутствие в атмосфере кислорода - необходимое условие образования органических веществ.
3
Решающая роль в превращении неживого вещества в живое играют
белки, которые способны образовывать коллоидные гидрофильные
комплексы (притягивают молекулы воды, которые создают сольватную
оболочку). Комплексы, сливаясь друг с другом, приводят к образованию
коацерватов, которые являются открытыми системами, обладают упорядоченностью и способны самообновляться. С появлением коацерватов
появляется естественный отбор (движущий фактор биологической эволюции).
Коацерваты поглощали вещества из окружающей их водной среды.
Включение в их состав ионов металлов привело к образованию ферментов. В результате включения в состав коацерватов нуклеиновой кислоты
и появлению ферментов сформировались предбиологические системы.
Предбиологической системой может быть только смесь ДНК и белка (ДНК
способна мутировать, а белки ускорять химические реакции). Прочность
коацерватной системы невелика, но она многократно повышается, если
такая система покрывается липидной пленкой.
4
На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались
молекулы липидов, что привело к образованию примитивной клеточной
мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. С образованием
мембраны образуются протобионты (примитивные клетки).
Биологическая эволюция – необратимое направленное историческое развитие органического мира (живой природы), сопровождающееся
изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, образованием и вымиранием видов, преобразованием биогеоценозов и биосферы в целом.
В ходе эволюции наиболее вероятна такая последовательность
появления групп организмов: анаэробные гетеротрофы → фотоавтотрофы → аэробные гетеротрофы.
Первые организмы были гетеротрофами (прокариоты), окаменелые остатки и следы их жизнедеятельности обнаружены в осадочных породах возрастом около 3,5 млрд. лет.
5
Запасы органических веществ в «первичном бульоне» уменьшались. В связи с этим возникла автотрофность. Первые автотрофы возникли 3 млрд. лет назад. Это были анаэробные бактерии, осуществляющие одностадийный фотосинтез, при котором кислород не выделяется.
Первыми организмами, осуществляющими двухстадийный фотосинтез с выделением кислорода, были цианобактерии. Постепенно атмосфера насытилась достаточным количеством кислорода (прекратилась
химическая эволюция), появилась возможность кислородного типа обмена веществ, что привело к появлению аэробов. Образовался озоновый
экран, защищающий живое от губительных космических УФЛ, что способствовало выходу организмов из водной среды на сушу.
Следующий этап – появление одноклеточных эукариот (1,5 млрд.
лет назад). Одноклеточные не могут расти беспредельно, так как при увеличении размеров клетки ее поверхность возрастает в квадратичной зависимости, а объем – в кубической. Поэтому в одноклеточном организме
будет наблюдаться дефицит кислорода и недостаток энергии.
6
Около 2,6 млрд. лет назад возникли многоклеточные организмы, которые усложнялись и сформировали типы животных и отделы растений в
течение протерозойской, палеозойской, мезозойской и кайнозойской эр.
II. Доказательства эволюции органического мира.
Эмбриологические (законы К. Бэра, биогенетический закон).
Биогеографические (зоогеографические зоны, реликтовые формы).
Сравнительно-анатомические (клеточное строение, общий план
строения позвоночных животных, гомологичные органы, рудименты,
атавизмы, ныне существующие переходные формы).
Палеонтологические (переходные формы, филогенетические ряды).
Молекулярно-генетические. Молекулярная эволюция – наука, изучающая изменения генетических макромолекул (ДНК, РНК, белков) в
процессе эволюции, закономерности и механизмы этих изменений, а
также реконструирующая эволюционную историю генов и организмов.
Объекты исследования молекулярной эволюции:
1. Последовательности НК как носителей генетической информации.
7
2. Последовательности белков.
3. Структура белков.
4. Геномы организмов.
Основные задачи молекулярной эволюции:
1. Выявление закономерности эволюции генетических макромолекул.
2. Реконструкция эволюционной истории генов и организмов.
Разделы молекулярной эволюции:
1. Эволюция макромолекул - изучает типы и скорости изменений,
происходящих в ДНК, а также созданных на его основе белков, и механизмов, ответственных за эти изменения.
2. Молекулярная филогения – изучает эволюционную историю макромолекул и организмов, получаемую на основе молекулярных данных.
3. Пребиотическая эволюция или «происхождение жизни».
Методы молекулярной эволюции:
1. Выравнивание последовательностей белков и НК;
8
2. Методы изучения эволюционных изменений аминокислотных и
нуклеотидных последовательностей;
3. Методы построения филогенетических деревьев и др.
Выравнивание последовательностей - процесс их сопоставления
для такого взаиморасположения, при котором наблюдается максимальное количество совпадений аминокислотных остатков или нуклеотидов.
Выровненные аминокислотные последовательности участков каталитических
доменов В-изоферментов креатинкиназ человека и крысы.
190
200
210
220
230
240
250
|
|
|
|
|
|
|
H.s.EAEQQQLIDDHFLFDKPVSPLLLASGMARDWPDARGIWHNDNKTFLVWVNEEDHLRVISM
R.n.EADEQQLIDDHFLFDKPVSPLLLASGMARDWPDARGIWHNDNKTFLVWINEEDHLRVISM
Эволюционная дистанция (расстояние) – среднее число аминокислотных или нуклеотидных замен, приходящихся на пару гомологичных
сайтов двух сравниваемых последовательностей белков или нуклеиновых кислот. Вычисляется для построения филогенетического дерева и
определения скорости эволюции.
9
B
CK
10
10
s
gic
u
CK
M
H
.
sa
pie
n
CK
B
R.
no
rv
e
G.
ga
llu
s
us
ur
ta
.
s
B
ilari
M
fam
K
.
C
C M
CK
iculus
CKM O.cun
CCKKM R.n
orvegic
M
us
M.
mu
sc
ul u
CK
s
M
G.
CK
ga
llu
M
s
Z.
dh
um
na
de
s
Филогенетическое дерево (дендрограмма) отражает родственные (филогенеus
тические) связи между генеat
t
c
un
тическими макромолекулами
I.p
KM
C
или их частями. По структуре
s
напоминает
разветвленное
ulu
sc
u
.m
s
дерево.
BM
K
iculu
C
.cun
O
CKB
Скорость молекулярCKB C.familaris
CKB
H.s
ной эволюции - эволюционapie
ns
ная дистанция, деленная на
удвоенное время дивергенCK B.fluoridae
ции двух цепей от общей для
CK C.intestinalis
них предковой цепи филогенетического древа. Единицей скорости эволюции белков является 1 полинг (10-9 на аминокислотный сайт в год).
s
Согласно теории нейтральной молекулярной эволюции (Кимура М.,
1968 г.) скорость эволюции любого белка приблизительно постоянна и одинакова в разных филогенетических линиях, если функция и третичная структура белка остаются неизменными ("концепция молекулярных эволюционных часов"). На основании этой концепции можно устанавливать времена
дивергенции таксономических групп.
ланцетники
рыбы
земноводные
птицы
грызуны
зайцеобразные
непарнокопытные
шимпанзе
человек
общепринятые
в молекулярной эволюции
550 млн. лет
405 млн. лет
365 млн. лет
310 млн. лет
110 млн. лет
91 млн. лет
90 млн. лет
6 млн. лет
6 млн. лет
11
по м-РНК, кодирующей АДГ
(К.Ф. 1.1.1.1)
584 млн. лет
394 млн. лет
358 млн. лет
310 млн. лет
147 млн. лет
117 млн. лет
108 млн. лет
6 млн. лет
6 млн. лет
III. Жизнь – совместная функция сложных комплексов биополимеров - белков и нуклеиновых кислот.
Фундаментальные свойства живого:
• самовоспроизведение (обеспечивает преемственность между
сменяющими друг друга генерациями биологических систем, связанное с
потоком информации);
• саморегуляция (осуществляется по принципу обратной связи, когда выходные переменные (результат действия раздражителя) влияют на
входные переменные (интенсивность действия раздражителя);
• самообновление (связано со способностью организмов к регенерации).
Основные признаки жизни: обмен веществ и энергии, раздражимость, размножение, рост, онтогенез, филогенетическое развитие, наследственность, изменчивость, целостность, дискретность, гомеостаз.
В настоящее время все организмы объединены в 5 царств:
12
1. Доядерные организмы (прокариоты) - бактерии – 3000 видов и
2000 видов сине-зелёных водорослей (цианобактерий);
2. Протисты (протактисты) – 30 000 – 60 000 видов;
3. Грибы – 0,1 млн. видов;
4. Растения – 0,5 млн. видов;
5. Животные - 2 млн. видов.
Уровни организации живого:
¾молекулярно-генетический (элементарная единица - биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты);
¾субклеточный (органоидный) (элементарная единица - органоиды
клетки);
¾клеточный (элементарная единица - клетка - основная структурнофункциональная и генетическая единица живых организмов, наименьшая
единица живого);
¾тканевой (элементарная единица – ткани (растительные: покровная, проводящая, механическая, основная, образовательная, выдели13
тельная; животные: эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная));
¾организменный (элементарная единица - одноклеточные и многоклеточные организмы);
¾популяционно-видовой (элементарная единица - популяция и вид);
¾биогеоценотический (элементарная единица - биогеоценоз);
¾биосферный – совокупность всего живого.
IV. Место человека в системе природы:
Тип
Хордовые
Подотряд
Антропоидные (человекоподобные)
Подтип
Позвоночные
Группа
Узконосые обезьяны
Класс
Млекопитающие
Семейство Гоминиды
Подкласс Настоящие звери Род
Человек
(плацентарные)
Отряд
Приматы
Вид
Человек разумный
14
Видовые признаки Человека разумного:
I. Особенности строения скелета: высокий лоб, мозговой отдел черепа преобладает над лицевым; подбородочный выступ нижней челюсти; физиологические изгибы позвоночника (лордозы и кифозы); уплощенная в переднезаднем направлении грудная клетка; массивность и
большая длина костей нижних конечностей; широкий чашеобразный таз;
сводчатая стопа; высокая степень противопоставления большого пальца
кисти.
II. Большой объем головного мозга (1100 – 1700см3). Квадратичный
весовой указатель (масса головного мозга в г в квадрате, деленная на
массу тела в г.) = 32 (у животных менее 10).
III. Членораздельная речь и характерное строение гортани.
IV. Вторая сигнальная система.
V. Абстрактное мышление.
VI. Кариотип.
VII. Способность к труду (изготовление орудий труда).
15
Ч. Дарвин в работе “Происхождение человека” (1871) доказал, что
человек имеет животное происхождение и общего предка с ныне живущими человекообразными обезьянами.
Ф. Энгельс в работе “Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека” (1896) указал на социальные факторы в эволюции человека.
V. Для подготовки будущего врача биология имеет особое значение, так как по меткому выражению академика И. В. Давыдовского, она
является "теоретической основой медицины.
В медицинском ВУУ изучаются следующие разделы биологии:
1. Цитология – выявляет нарушения в клетках, которые возникают
при различных заболеваниях;
2. Общая и медицинская генетика. Существует около 4000 наследственных болезней. Их общая частота в популяциях составляет 2-4%.
16
Генетика позволяет выявить причины наследственных заболеваний и разработать методы их диагностики и лечения на основе генной и
клеточной инженерии.
В настоящее время апробируются следующие методы:
• использование антисмысловых олигонуклеотидов (АСОГ);
• использование рибозимов;
• внедрение новых генов в ядерную ДНК соматических клеток для
лечения опухолей;
• методами генной инженерии получены клоны клеток кишечной
палочки, способные продуцировать соматотропин и инсулин, применяемые
для лечения карликовости и сахарного диабета
3. Медицинская паразитология. Несмотря на профилактическую
работу в настоящее время на Земном шаре паразитарные заболевания
широко распространены:
• количество больных аскаридозом - 1 млрд. человек;
• количество больных анкилостомидозамим - 900 млн. человек;
17
• количество больных шистозомозами - 600 млн. человек;
• количество больных филяриатозами - 600 млн. человек;
• количество больных трихоцефалезом - 500 млн. человек;
• количество больных малярией - 600 млн. человек;
• количество больных амебиазом - 400 млн. человек;
• 60-80% детей больны энтеробиозом и т. д.
Нередко паразитарные заболевания являются причиной инвалидности и смертности людей.
4. Филогенез систем органов хордовых. При некоторых пороках
развития, уродствах и заболеваниях у человека появляются признаки, которые свойственны другим систематическим категориям близким по филогенезу (отрядам или классам типа Хордовые).
Возникают они в результате онтофилогенетических механизмов
(рекапитуляций и параллелизмов).
5. Регенерация и трансплантация. У человека комплекс гистосов18
местимости занимает область на 6-й хромосоме и имеет 6 сублокусов (А,
В, С, DR, DР и DQ), каждому из которых принадлежит до 40 аллельных генов.
Каждый аллель кодирует индивидуальный антиген гистосовместимости. С помощью типирования антигенов гистосовместимости подбирают совместимые ткани для трансплантации, исключают отцовство,
диагностируют наследственные дефекты обмена веществ.
6. Экология и охрана окружающей среды. Экологические знания
являются основой профилактики множества различных заболеваний
(создание безотходных технологий и замкнутых циклов производства;
создание технологий переработки отходов; разработка противоаварийных систем на экологически опасных производствах; очистка бытовых и
промышленных сточных вод; фильтрация выбросов в атмосферу; поиск
альтернативных источников энергии; нормированное использование
удобрений и ядохимикатов; экологический мониторинг; создание охраняемых территорий; включение видов в Красную книгу и др.).
19