Факторы эволюции: наследственность и изменчивость

Факторы эволюции: наследственность и изменчивость 3. 5
Эволюция живого мира определяется различными факторами (движущими силами), природа и роль
которых намного сложнее, чем кажется на первый взгляд. Это наблюдается, например, в классификации
факторов и интерпретации роли каждого из них. Большинство ученых к основным факторам эволюции
относят следующие:
1) наследственность – обеспечивает сохранение вида;
2) изменчивость – обеспечивает разнообразие и материал для отбора;
3) борьба за существование – обеспечивает взаимодействие организмов с внешней средой;
4) естественный отбор – обеспечивает выживание и воспроизводство самых приспособленных организмов.
Наследственность – это свойство живых организмов сохранять и передавать свои признаки потомкам.
Благодаря наследственности обеспечивается существование и индивидуальность видов в природе.
Единицей хранения и передачи генетической информации является ген. С точки зрения классической
генетики ген – это неделимая единица наследственности. В современной концепции ген рассматривается
как сложно организованная структурная и функциональная единица, которая обеспечивает
три важных процесса в живых организмах: мутации (изменения гена); рекомбинации (новые сочетания
генов) и экспрессию (фенотипическое проявление в виде признаков).
Гены взаимодействуют друг с другом, и часто проявление одного гена зависит от других. Фенотипические
признаки могут контролироваться одним геном (моногенное наследование) или несколькими
неаллельными генами (полигенное наследование). Иногда один ген определяет несколько признаков
(плейотропия).
Проявление структурных генов зависит как от генетических факторов (регуляторные участки, взаимодействие
генов), так и от негенетических факторов (абиотические и биотические факторы среды).
Исследования последних лет указывают на эволюционную роль регуляторных участков, которые
влияют на активность структурных генов. Для генов характерна дифференциальная активность, то есть
они активируются или подавляются в зависимости от этапа онтогенеза, организма, органа или ткани,
физиологического состояния клетки.
Изменчивость – это свойство живых организмов приобретать новые признаки под воздействием
факторов среды. Изменчивость бывает двух типов:
а) ненаследственная (модификационная)
• не затрагивает наследственный материал;
• вызвана условиями жизни (питание, температура, свет и др.);
• обеспечивает приспособление организмов к условиям среды;
• не передается по наследству и не имеет особого эволюционного значения;
б) наследственная (генотипическая)
• изменяет наследственный материал;
• вызвана действием мутагенных факторов среды (физических, химических и биологических);
• обеспечивает адаптацию вида;
• имеет важное эволюционное значение.
К наследственной изменчивости относятся мутации и рекомбинации. Мутации представляют собой
изменения на уровне генов, хромосом или других клеточных носителей генетической информации.
Мутации являются важным источником изменчивости, которые не только обогащают популяцию
новыми формами, но и увеличивают гетерогенность популяции, обеспечивая ее адаптивность. Эти изменения
являются важным фактором эволюции, т. к. предоставляют основной материал для естественного
отбора с целью улучшения популяции или вида. Однако мутации не управляют ходом эволюции,
доказательством чего служит нейтральность большинства мутаций.
104 3. Эволюция организмов на Земле. Эволюция человека
• Избирательный полиморфизм – определяется
способностью одного, более адаптивного
аллеля, заменять действие другого
аллеля. Примером такого типа полиморфизма
служит индустриальный меланизм у
березовой пяденицы Biston betularia. Темноокрашенные
формы бабочек имеют селективное
преимущество перед светлой формой
в промышленных районах.
Генетическая рекомбинация связана с процессами,
происходящими в ходе образования гамет в мейозе. В
результате рекомбинации гены не изменяются, а лишь
возникают новые их сочетания. Таким образом, именно
рекомбинации служат самым богатым источником
наследственных изменений (см. схему).
Мутации и рекомбинации обеспечивают генетический
полиморфизм в пределах популяции, способствуя
приспособлению и отбору организмов.
Полиморфизм предполагает наличие трех и более
различных форм среди особей одного вида растений
или животных.
Существует несколько типов полиморфизма:
• Cбалансированный полиморфизм – определяется
равновесием между гомозиготными и гетерозиготными
формами, комбинациями аллельных генов, противоположными
полами и др. В этом случае две или
более формы организмов сосуществуют в стабильном
соотношении в пределах популяции, причем каждая
из форм имеет как преимущества, так и недостатки.
Например, у жука Adalia bipunctata весной преобладают
формы красного цвета, а осенью – черного, более
чувствительные к зимовке.
Среди чернокожего населения Центральной Африки
есть три типа индивидов, отличающихся по строению
эритроцитов: с нормальным гемоглобином, с
невыраженной формой анемии (анормальный гемоглобин)
и с летальной формой анемии. Индивиды с
промежуточной формой анемии устойчивы к малярии,
поддерживая, тем самым, концентрацию данного
гена в популяции.
Промышленный меланизм березовой пяденицы
Разнообразие окраски раковины
Cepaea nemoralis
• Нейтральный полиморфизм – определяется действием
некоторых нейтральных генов на способность
к выживанию организмов. Например, различная окраска
раковины улиток Cepaea nemoralis контролируется
множественными аллелями, что обеспечивает огромное
разнообразие по цвету и вследствие этого – выживание
их в определенных условиях обитания.
• Экологический полиморфизм – определяется адаптивной
способностью некоторых организмов к различным
экологическим условиям.
Случайное расположение хромосом в мейозе
(метафаза I)
1 2 3 1 2 3
или
Пары хромосом
или
или
Возможные сочетания
отцовских и материнских
хромосом
3. Эволюция организмов на Земле. Эволюция человека 105
• Представьте пример независимого наследования 3-х признаков на основе рисунка на с.104, используя
в качестве объекта изучения горох.
• Составьте ребус с ключевым словом «изменчивость», используя вопросы об адаптации растений и
животных.
• Исключите лишнее в следующей последовательности
понятий:
• Криптический полиморфизм – определяется изменениями, которые не проявляются на уровне фенотипа.
Генетический полиморфизм характерен для большинства организмов и является важным фактором
защиты и сохранения вида в ходе эволюции. В то же время генетический полиморфизм может быть
механизмом расширения вида.

Доказательства эволюции: данные палеонтологии

Доказательства эволюции: данные палеонтологии 3. 4
и молекулярной биологии
Доказательства палеонтологии
Палеонтология занимается изучением ископаемых останков разных организмов. Она предоставляет
ряд доказательств, среди которых:
• Ископаемые останки
– различные кости (позвоночных) или отпечатки в камнях (беспозвоночных и растений);
– особенности останков указывают на родственные связи между различными организмами и позволяют
проследить эволюцию во времени.
• Переходные формы
– представлены организмами, сочетающими
признаки древних и исторически более
молодых систематических групп организмов
(археоптерикс – переходная форма от птиц к
пресмыкающимся; тереодонт – переходная
форма от пресмыкающихся к млекопитающим;
псилофиты (риниофиты) – переходная
форма от водных
растений к растениям суши);
– указывает на родственные связи между
различными систематическими группами.
• Филогенетические ряды
– это формы, последовательно сменяющие
друг друга в процессе эволюции (например,
лошади);
– показывают возможный эволюционный
путь данного вида.
Палеонтологические данные наряду с доказательствами
эмбриологии и сравнительной
анатомии свидетельствуют о том, что с
переходом от одной эры к другой происходит
постепенное повышение уровня организации
животных и растений.
Земная кора состоит из 5-ти основных
слоев, каждый из которых подразделяется на
более тонкие слои. В этих слоях сохранились
ископаемые останки некогда существовавших
организмов животных и растений.
В соответствии с последовательностью
слоев была разработана геохронологическая
шкала. Согласно этой шкале, историю жизни
на Земле делят на эры, периоды и эпохи.
О продолжительности каждого периода судят
по толщине определенного слоя земной коры
и скорости разложения радиоактивных элементов
(см. схему, с. 100). Эволюция лошади
Современная лошадь
Плиогиппус
(Pliohipus)
Мерикгиппус
(Merihipus)
Мезогиппус
(Mezohipus)
Первобытная лошадь
(Hiracoterum)
60 млн
лет
назад
40 млн
лет
назад
25 млн
лет
назад
10 млн
лет
назад
3 млн
лет
назад
100 3. Эволюция организмов на Земле. Эволюция человека
Эра Период Эпоха
Возраст
(млн
лет)
Формы жизни
Четвертичный
Третичный
Голоцен
Плейстоцен
0.01
2.5
Плиоцен
Миоцен
Олигоцен
Эоцен
Палеоцен
7
25
38
54
65
Меловой 136
Юрский 195
Триасовый 225
Пермский 280
Каменноугольный
(карбон)
321
345
Пенсильванская
Миссисипская
Девонский 395
Силурийский 435
Ордовикский 500
Кембрийский 570
Докембрийский
1500
2500 Появление прокариот
Появление первых эукариот и многоклеточных
организмов
Появление первых морских беспозвоночных
– трилобитов (животных со скелетом)
Развитие морских беспозвоночных
Появление первых позвоночных (рыб)
Появление первых животных с легочным
питанием (скорпионы); разнообразие рыб
Эпоха рыб
Появление земноводных
Эпоха земноводных
Расцвет насекомых
Появление пресмыкающихся
Расцвет пресмыкающихся; сокращение
числа земноводных
Появление динозавров
Расцвет и специализация динозавров
Появление первых млекопитающих и птиц
Апогей развития и вымирания динозавров
Вторичное распространение насекомых
Появление первых человекообразных
обезьян
Преобладание млекопитающих, птиц, насекомых
Расцвет млекопитающих
Появление австралопитеков
Появление человеческих культур
Эпоха человека
Протерозойская Палеозойская Мезозойская Кайнозойская
3. Эволюция организмов на Земле. Эволюция человека 101
Между основными эрами происходили геологические перемещения, именуемые геологическими революциями.
В результате этих революций некоторые участки суши поднимались, а другие – опускались.
Самая древняя эра – архейская – длилась около 2 млрд лет. Для нее характерны высокая вулканическая
активность и движение земных пластов. Тепло, давление и тектонические перемещения уничтожили
многие из ископаемых останков, однако в древних осадочных породах обнаружены биополимеры и
останки прокариот.
В протерозойской эре, более спокойной с геологической точки зрения, бактерии и водоросли достигли
исключительного расцвета. Появились первые эукариоты и древние многоклеточные организмы.
Живые организмы меняли форму и состав земной коры, формируя ее верхние слои – биосферу.
К концу палеозоя уже существовали представители большинства типов животного царства, за исключением
птиц и млекопитающих. В кембрии животные и растения населяли в основном моря, в то
время как суша была пустынна. В ордовике и силуре появились первые наземные растения.
Мезозойская эра началась около 230 млн лет назад и длилась примерно 167 млн лет. Мезозой справедливо
называют эрой пресмыкающихся, потому что именно в эту пору они достигли огромного разнообразия.
К концу мелового периода климат стал резко континентальным, и из-за резкого похолодания
большинство пресмыкающихся вымерло.
Кайнозойская эра делится на два неравных периода – третичный, длившийся 62 млн лет, и четвертичный,
начавшийся 2,5 млн лет назад. В кайнозое расцвета достигли цветковые растения, птицы и
млекопитающие. В этот период появились и предки человека.
Доказательства клеточной и молекулярной биологии
Жизнь, многообразная на макроскопическом уровне, отличается поразительным сходством на молекулярном
и клеточном уровне. Это сходство проявляется в следующем:
• На молекулярном уровне
– АТФ является молекулой, обладающей способностью сохранения и трансформации энергии у разных
организмов;
– белки всех живых организмов состоят из 20-ти типов аминокислот;
– у всех живых организмов в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) входят 4 типа нуклеотидов;
– генетический код является универсальным, то есть один и тот же кодон (триплет нуклеотидов)
определяет одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов.
Сложность и разнообразие живых организмов определяются биохимическими различиями, но в то
же время многие основные физиологические процессы определяются общими химическими связями и
реакциями. Как растения, так и животные используют одни и те же вещества в процессе дыхания и для
запасания энергии.
• На клеточном уровне
– общий план строения клетки является сходным для всех живых организмов. Любая клетка состоит
из цитоплазмы и плазматической мембраны. Цитоплазма эукариотической клетки включает различные
органоиды: ядро, эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы, рибосомы и др.
В настоящее время стало возможным слияние животных клеток с протопластами растений (растительные
клетки, лишенные клеточной стенки), что убедительно демонстрирует общность животных и
растительных клеток.

Доказательства эволюции: данные сравнительной анатомии

Доказательства эволюции: данные сравнительной анатомии 3. 3
и эмбриологии
Румынский биолог Эмил Раковица писал: «Биологическая эволюция является неопровержимым
фактом, спорными остаются лишь пути ее осуществления».
Это утверждение основывается на многочисленных доказательствах, как имеющихся в самой природе,
так и предоставленных разными науками в результате проведенных экспериментальных исследований.
Доказательства сравнительной анатомии
Сравнительная анатомия и морфология приводят доказательства, основанные на особенностях
внешнего и внутреннего строения организмов.
Среди доказательств можно выделить следующие:
• Наличие гомологичных органов
– гомологичными называются органы, имеющие
общее происхождение и сходное строение,
но выполняющие разные функции;
– они отражают эволюцию путем дивергенции
(расхождение признаков, приводящее
к появлению новых организмов от общего
предка и преобразование одних органов
в другие – стебель и лист у растений; ласт
кита, крыло летучей мыши, передняя конечность
лошади, рука человека);
Гомологичные органы представляют собой
сильный аргумент в пользу общего эволюционного
происхождения, хотя каждый из органов
приспособлен для выполнения определенной
функции.
• Наличие аналогичных органов
– аналогичные органы имеют разное строение
и происхождение, но выполняют одну и ту
же функцию;
Аппендикс
Аппендикс травоядного
животного
– они отражают конвергентную эволюцию (независимое
возникновение сходных признаков у организма,
имеющих разное происхождение, или у органов,
имеющих различное происхождение, но выполняющих
сходные функции, – плавники рыб и ласты кита,
крылья насекомых и рукокрылых млекопитающих,
колючки кактуса и боярышника, клубни картофеля и
георгина).
Наличие аналогичных органов подтверждает биологическую
эволюцию. Эти органы, развиваясь в той же
среде и выполняя ту же функцию, сходны по строению,
но не идентичны.
• Наличие рудиментарных органов
– рудиментами называются органы, сохранившиеся у
организмов, но давно утратившие свое исходное значение;
Третье веко Третье веко у птиц
у человека
Рука
человека
Крыло насекомого
Крыло летучей
мыши
Крыло птицы
Ласт кита
Передняя
конечность
кота
Гомологичные органы Аналогичные органы
96 3. Эволюция организмов на Земле. Эволюция человека
– они указывают на сходство групп организмов (аппендикс, зуб мудрости, мигательная перепонка глаза,
мышцы уха и др.).
У человека около 100 рудиментарных органов. Они были в активном состоянии у его предков, но в
связи с изменением условий жизни утратили свою необходимость. Рудиментарные органы закладываются
на стадии эмбриогенеза, но не получают полного развития у взрослых форм.
Данные наблюдения были представлены Ж. Б. Ламарком в его концепции о роли упражнения и неупражнения
органов в эволюции. Появление стойких мутаций уменьшают размеры и функции того или
иного органа. Если эти органы необходимы для выживания организма, они не подвергнутся риску исчезновения.
Если органы не являются существенными для выживания в конкретных условиях обитания,
то их размеры постепенно уменьшаются, и в итоге они исчезнут.
Атавизмы у человека
• Наличие атавизмов
– атавизмы представляют собой органы, существовавшие у далеких
предков, но полностью утраченные в процессе эволюции;
– они указывают на сходство различных организмов и на тот
факт, что гены, кодирующие их, не исчезли из генофонда, а заблокированы;
– примерами атавизмов у человека является наличие хвоста, сосков
не только на груди, но и на животе.
Эмбриологические доказательства
Эмбриология предоставляет ряд доказательств на основе закономерностей эмбрионального развития,
а именно:
• Закон зародышевого сходства (К. Бэр, 1828)
– сходство развития зародышей разных систематических групп свидетельствует об общности их
происхождения;
– эмбрионы высших животных схожи с эмбрионами низших животных, а не со взрослыми формами.
На ранних этапах развития эмбрионы позвоночных отличаются большим сходством по форме и частям
тела, наличию жаберных щелей. На этом этапе очень трудно отличить эмбрион человека от эмбриона
обезьяны, курицы, ящерицы или рыбы.
По мере развития зародыш приобретает все более заметные черты строения, характерные для класса,
отряда, рода и, наконец, вида, к которому он принадлежит. Особенности эмбрионального развития и
последовательная дифференциация признаков указывает на общность происхождения этих организмов.
• Биогенетический закон (Э. Геккель, 1866)
– индивидуальное развитие (онтогенез) есть краткое и сжатое повторение исторического развития
вида (филогенеза);
В дальнейшем было установлено, что в индивидуальном развитии повторяются признаки не взрослых
особей, а эмбрионов (головастик у земноводных, личинки у бабочек, заросток у папоротников и др.).
Эмбрион человека на самых ранних стадиях развития схож с эмбрионом рыбы (наличие жаберных
щелей, хвоста и др.). Позднее он схож с эмбрионом пресмыкающихся (закрытие жаберных щелей, разделение
предсердия на две камеры). К 7-му месяцу внутриутробного развития эмбрион человека похож
на эмбрион обезьяны, и только к моменту рождения он проявляет свойства своего вида.
• Закон филоэмбриогенеза (А. Северцов, 1935)
– онтогенез, являясь кратким повторением филогенеза, может влиять на особенности филогенетического
развития вследствие изменений в структуре и функциях органов (дифференциация чешуй
у рыб и пресмыкающихся: первоначально чешуя образуется из клеток эктодермы, а затем развивается
в костную чешую (у рыб) и роговую чешую (у пресмыкающихся).
Значение взаимосвязи онтогенеза и филогенеза позволяет углубить общее представление о развитии
организмов. Оплодотворенное яйцо можно сравнить с одноклеточным предком животных, бластулу – с
колониальным простейшим организмом, а гаструлу – с предковым животным (Gastrea), давшим начало
беспозвоночным и позвоночным.

Принципы биологической эволюции

Принципы биологической эволюции
Эволюцией называется процесс постоянного развития как в природе, так и в обществе, который
путем постепенных изменений приводит к глубоким качественным преобразованиям.
Применительно к живым организмам эволюцию можно определить как развитие с течением времени
сложных организмов из предшествующих более простых организмов. Таким образом, эволюция
охватывает все надиндивидуальные группы организмов – от популяции и вида до типа и царства. В
специальной литературе для описания эволюции больших таксономических групп (отряд, класс, тип)
используют термин макроэволюция, а эволюцию на уровне вида описывают термином микроэволюция.
Микроэволюция представляет собой процессы преобразования на уровне отдельных популяций и
видов, что приводит под действием естественного отбора к возникновению новых более приспособленных
видов. Появление новых видов имеет очень важное значение в биологической эволюции.
Таким образом, основной эволюционной единицей является вид. В настоящее время под видом понимают
совокупность индивидов, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических
и биохимических признаков, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое
потомство, приспособленных к определенным условиям жизни и занимающих один и тот же ареал
обитания.
Каждый вид характеризуется многими признаками, которые носят название критериев вида. К ним
относятся:
• морфологический критерий – сходство внешнего и внутреннего строения организмов;
• физиологический критерий – единство всех процессов жизнедеятельности у всех особей одного
вида;
• биохимический критерий – сходство химического состава и биохимических реакций в организме;
• генетический критерий – всем индивидам данного вида свойственны определённые, наследственно
закреплённые особенности организации;
• экологический критерий – сходство реакции индивидов одного вида на воздействие факторов
среды;
• географический критерий – сходство по ареалу, занимаемому видом на планете.
Наука, которая занимается изучением эволюции органического мира, называется эволюционизмом.
Научные основы эволюционного учения были заложены английским естествоиспытателем Чарльзом
Дарвиным в работе «Происхождение видов путем естественного отбора», опубликованной в 1859
году. Однако еще задолго до Дарвина человек обратил внимание на разнообразие окружающих его живых
организмов и пытался объяснить структурные и функциональные сходства между ними. Так появилось
множество гипотез и теорий для объяснения развития органического мира.
Среди задач эволюционного учения можно выделить следующие:
• определение понятия живой материи и уровней организации и интеграции живой материи;
• выявление особенностей эволюции основных групп растений, животных, микроорганизмов;
• изучение процессов микро- и макроэволюции;
• установление движущих сил эволюции;
• определение положения человека в природе и изучение его происхождения;
• выявление механизмов адаптации биологических систем;
• разработка теорий, объясняющих эволюционные процессы.
Биологическая эволюция может происходить двумя основными путями – прогрессивным путем и путем
специализации. Для прогрессивной эволюции характерно образование новых структур и усложнение
функций организма, что повышает общий уровень его организации и жизнеспособности. Эти изменения
приводят к возникновению новых крупных таксономических групп и известны как ароморфозы,
примерами которых могут быть: появление внутренней полости тела, кровеносной системы закрытого
типа, хорды, четырехкамерного сердца и др. (у животных) и появление фотосинтеза, дифференциации
вегетативных органов, двойного оплодотворения (у растений).
3. Эволюция организмов на Земле. Эволюция человека 93
Эволюция путем специализации основана на мелких эволюционных изменениях, приспосабливающих
организмы к конкретным условиям обитания. Эти изменения позволяют организмам занять новые
экологические ниши и называются идиоадаптациями. Примерами идиоадаптаций являются: форма
клюва у птиц, строение конечностей у парнокопытных (у животных); форма плода, семени и цветка (у
растений).
В случае паразитизма, когда паразит живет и питается за счет организма хозяина, специализация
выражается в редуцировании некоторых органов или даже систем органов. Этот процесс называется
дегенерацией. Например, отсутствие кровеносной системы у бычьего цепня, отсутствие корней у повилики
и др.
В основе функционирования живого мира лежат определенные принципы, обеспечивающие его существование
и эволюцию. Выделяют 5 основных принципов: простоты, экономичности, предопределенности,
ограничения и принцип физического детерминизма.
Принцип простоты предполагает, что все процессы и явления по сути своей очень просты. Например,
все атомы состоят из трех основных типов частиц: электронов, протонов и нейтронов; огромное
разнообразие белков образовано всего лишь 20 типами аминокислот; имеющие первостепенное значение
в хранении и передаче наследственной информации нуклеиновые кислоты состоят только из 4-х
типов нуклеотидов.
Согласно основным положениям биологии, ни одна из клеток не является излишне сложной, что
позволило ей выжить и развиваться в ходе длительной эволюции. Другими словами, потрясающие нас
многообразием и сложностью жизненные процессы в сути своей удивительно просты.
Принцип экономичности тесно связан с простотой в организации и функционировании живых
систем. Отлажено работающая биологическая структура используется максимально вместо создания
новых структур. Например, во многих макромолекулах (белках, аминокислотах) один тип мономера
(аминокислота, нуклеотид) повторяется много раз. Симметрия, так часто встречающаяся в живом мире,
также является примером экономичности. В качестве примера экономичности можно привести и мембраны,
которые используются в клетке для образования различных органоидов.
Однако принцип экономичности может иметь и другие последствия. Например, растения вынуждены
использовать в качестве химических источников минеральные элементы, а животные – употреблять
растения (травоядные животные) или других животных (плотоядные).
Принцип предопределенности предполагает, что каждый вид, каждый организм, каждая структура,
каждая молекула образованы на основе определенной программы, заложенной в нуклеиновых
кислотах.
Организация генов и хромосом в эукариотных клетках обеспечивает постоянное образование новых
форм при сохранении уже существующих, что обеспечивает биологическую преемственность.
Принцип ограничения обеспечивает организацию, функционирование и эволюцию биологических
систем путем ограничения потенциальных возможностей. Эти ограничения могут быть вызваны
факторами среды, которые обеспечивают лучшую адаптацию организмов. Например, число клеточных
органоидов ограничено размерами и типом клетки, а число индивидов в популяции ограничено количеством
пищи и размерами занятого ареала.
Каждая дочерняя клетка получает от материнской клетки ту же генетическую информацию, но ее
реализация ограничена условиями развития многоклеточного организма.
Принцип физического детерминизма означает запрограммированное развитие организмов. Согласно
этому принципу, в ходе эволюции происходят последовательные модификации организмов,
что подтверждают и палеонтологические данные. Однако они не сопровождаются радикальными изменениями
их внутренней организации.
Таким образом, каждый новый путь развития имеет определенные пределы, что обеспечивает
стабильность вида и сохранение внутреннего строения организмов.
Принцип физического детерминизма обеспечивает сохранение внутренней организации индивидов.

Основные гипотезы зарождения жизни

Проблема возникновения жизни является одной из центральных проблем биологии и постоянно
была предметом споров и дискуссий между идеалистами и материалистами. Как возникла жизнь? Этот
вопрос обсуждается с момента появления сознания и культуры у человека и продолжается до сих пор.
Так появились многочисленные гипотезы и теории, одни из которых основаны на простых умозаключениях,
другие – на известных фактах и экспериментальных данных.
Креационизм
Согласно этой теории, жизнь была создана некой
сверхъестественной силой, произошло это
лишь единожды и поэтому недоступно для наблюдения.
В основе этой концепции лежит абсолютная
вера, поэтому она находится вне рамок
научного исследования. Так как наука занимается
только теми явлениями, которые поддаются наблюдению,
она никогда не сможет ни доказать, ни
опровергнуть эту концепцию.
Теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения
Сторонниками этой теории были Демокрит, Аристотель, В. Харвей, Ф. Бэкон, Р. Декарт, Я. Б. ван
Гельмонт и другие ученые. И хотя теория была предложена еще в древние века, она никогда не пользовалась
большим
доверием в научном мире. Некоторые ученые восторженно принимали ее, другие –
игнорировали.
Согласно этой гипотезе, жизнь произошла из неживой материи как результат действия механических
сил природы, как путем абиогенеза (из неорганических веществ), так и путем гетерогенеза (из
мертвой органической материи). Некоторые древние ученые наивно полагали, что жизнь может возникнуть
из земли, воды, гниющих и разлагающихся остатков. По их мнению, змеи, кроты и мыши могли
зарождаться из земли; раки, лягушки, рыбы, крокодилы – из
ила; черви и насекомые – из гниющего мяса.
Ян Баптист ван Гельмонт описал эксперимент, в котором
он за три недели якобы создал мышей из грязного белья и
горстки пшеницы. Важным фактором в процессе зарождения
мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот.
В 1688 году итальянский биолог Ф. Реди провел опыты,
которые противоречили теории самопроизвольного зарождения.
Он установил, что появляющиеся на гниющем мясе
маленькие червячки – это личинки мух.
С открытием микроорганизмов теория самопроизвольного
зарождения вновь становится популярной среди ученых.
Однако известный французский ученый Луи Пастер на
основе проведенных экспериментов окончательно опроверг
эту теорию и доказал справедливость теории биогенеза. Он
показал, что микроорганизмы вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми
существами, если их не простерилизовать должным образом.
В заключение следует уточнить, что жизнь не может возникнуть путем самопроизвольного зарождения
в обычных условиях. Это уточнение является необходимым, т. к. по мнению немецкого ученого
Эрнста Геккеля, «полностью отрицать спонтанное зарождение – означает признать чудо, божественное
сотворение мира».
3. 1 Основные гипотезы зарождения жизни
Я. Б. ван Гельмонт (1579–1644)
3. Эволюция организмов на Земле. Эволюция человека 89
Теория панспермии (Анаксагор, Г. Буффон, Г. Липман, С. Аррениус,
Ф. Крик и др).
Эта теория выдвигает идею о внеземном происхождении жизни.
Жизнь, по мнению сторонников этой идеи, могла возникнуть в
разное время и в разных частях Вселенной, а затем была перенесена
на Землю.
С. Аррениус полагал, что жизнь существует везде во Вселенной,
благодаря переносу «зародышей жизни» с одних планет на другие.
При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены
«предшественники живого» – жирные кислоты, аминокислоты,
углеводы, нуклеотиды и др. Ученые продемонстрировали,
что споры выдерживают пониженные температуры. Кроме того,
была показана возможность замораживания протоплазмы в специальных
условиях, без ее кристаллизации.
В настоящее время нет доказательств жизни за пределами Земли,
однако полностью эту возможность нельзя исключать.
Теория биогенеза, или биохимической эволюции (А. И. Опарин, Дж. Холдейн, С. Миллер, Г. К. Юри,
С. Фокс и др.).
Теория была предложена А. И. Опариным (1922) и Дж. Холдейном
(1929). Согласно этой теории, жизнь возникла путем абиогенного
синтеза органических веществ в специальных условиях, и
процесс этот происходил постепенно – в три этапа.
1. Неорганический этап – этап образований простейших органических
соединений из неорганических. По мнению А. И. Опарина,
это произошло около 4–4,5 млрд лет назад и стало возможным
благодаря специальным условиям в атмосфере Земли. Легкие
газы – водород, гелий, азот, кислород и аргон – уходили из атмосферы,
так как гравитационное поле нашей планеты из-за высокой
температуры (4000–8000 оС) имело низкую плотность и не могло
их удержать. Атмосфера Земли в то время состояла из аммиака,
метана, углекислого газа и паров воды, из которых под действием
мощных электрических разрядов могли возникнуть простейшие
органические соединения.
2. Органический этап – этап образования более сложных органических соединений (аминокислот,
углеводов, белков, нуклеиновых кислот). Под действием ультрафиолетовых лучей (озоновый слой отсутствовал)
вода разлагалась на водород и кислород. Водород поднимался
в атмосферу, а в присутствии кислорода образовывались
такие химические соединения, как этанол, кетоны, органические
кислоты, альдегиды. Образованные вещества поднимались в атмосферу,
а после дождя опять попадали в водные бассейны Земли,
где образовывали сложные органические соединения – углеводы,
белки, нуклеиновые кислоты и др.
Эти теоретические предположения были подтверждены экспериментально.
В 1953 г. ученым Чикагского университета Стенли
Миллеру и Гарольду Ури удалось экспериментальным путем получить,
пропуская электрические заряды через смесь воды (35 %),
аммиака (26 %), метана (26 %) и водорода (13 %) под давлением в
несколько паскалей при температуре 60–80 оС, ряд органических
соединений: аланин, аспарагиновую кислоту, глутаминовую кислоту,
мочевину, лимонную кислоту и др.
С. Аррениус (1859–1927)
А. И. Опарин (1894–1980)
Дж. Холдейн (1892–1964)
90 3. Эволюция организмов на Земле. Эволюция человека
Ученые П. Адельсон, С. Харада и С. Фокс позднее получили аминокислоты
и простые полипептиды
в ходе своих экспериментов (при температуре 170–180 оС в течение 6–8 часов).
Американский биохимик, лауреат Нобелевской премии Артур Корнберг в 1958 г. впервые синтезировал
в лабораторных условиях молекулы ДНК.
3. Биологический этап – формирование из белков и других органических соединений первых живых
систем, способных к метаболизму.
На этом этапе образовывались первые коацерватные капли – сгустки из сложных органических веществ.
В них накапливались белки, углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты. Коацерваты – это еще не
живые организмы, но они уже были способны избирательно поглощать вещества и расти. В коацерватах
гидрофильные части молекул располагались кнаружи, а гидрофобные – вовнутрь. Таким образом формировались
структуры, аналогичные современным мембранам, которые и обеспечивали избирательный
транспорт веществ.
Внутри коацервата нуклеиновые кислоты вступали во взаимодействие с белками, что сделало возможным
хранение и передачу информации от нуклеиновых кислот к белкам и воспроизводство этих
простых живых систем.
Усложняясь, коацерваты образовывали первые примитивные клетки – прокариотические, из которых
в ходе дальнейшей эволюции сформировались и более сложно устроенные эукариотические клетки.
Дискуссии и споры по некоторым вопросам продолжаются до сих пор. Например, есть разные
точки зрения в отношении биологической эффективности органических веществ, синтезированных
абиогенным путём; взаимосвязи между нуклеиновыми кислотами и белками и т.д.

Генная инженерия

Генная инженерия
Этапы получения и переноса рекомбинантной молекулы ДНК
Генная инженерия является одним из современных биотехнологических подходов, цель которо-
го – создание новых генетических структур (рекомбинантных молекул ДНК). Рекомбинантными на-
зываются молекулы ДНК, содержащие участки (гены) чужеродной ДНК. Эти молекулы можно ввести в
другую клетку, где информация будет переписана в мРНК и реализована в специфический белок.
Генная инженерия включает в себя три основных этапа:
1. Выделение природного гена или синтез искусственного гена – для получения из выделенной ДНК
нужного фрагмента используют специальные ферменты (рестриктазы), которые разрезают ДНК в
определенном месте (сайт рестрикции).
2. Получение рекомбинантной молекулы ДНК – включение нужного гена в молекулу ДНК при по-
мощи фермента лигазы.
3. Перенос рекомбинантной ДНК в клетку-хозяина и синтез в ней соответствующего белка. Для
переноса используют специальные векторы – небольшие молекулы ДНК, способные внедряться в дру-
гие клетки и реплицироваться там автономно. В качестве вектора обычно используют бактериальные
плазмиды, вирусы и др.
Этапы генной инженерии представлены на рисунке.
С помощью генно-инженерных подходов в настоящее время уже освоено промышленное производ-
ство различных гормонов, интерферона и получение трансгенных растений.
Получение гормонов и интерферона
В 70-х годах прошлого века были разработаны принципиально новые методы получения человече-
ского инсулина – гормона, необходимого для лечения больных сахарным диабетом.
С помощью рестриктаз и лигаз были получены рекомбинантные молекулы ДНК, содержащие ген
инсулина. После переноса этих молекул в клетки бактерий (Еscherichia coli) последние начали синтези-
ровать человеческий инсулин.
Для того чтобы защитить синтезированный инсулин от расщепления бактериальными фермента-
ми, в молекулу рекомбинантной ДНК дополнительно вводится ген, кодирующий специфический белок
бактерии (например, галактозидазу).
Генно-инженерный метод позволяет получить до 200 г инсулина с 1см3 культуры (для получения
этого количества традиционным способом необходимо 1600 кг поджелудочных желез свиней).
2. 5
2. Селекция организмов. Биотехнологии 83
Способ получения инсулина генно-инженерным методом
Аналогичным способом в настоящее
время получают и другие гормоны белко-
вой природы (соматотропин, соматоста-
тин), интерферон.
Из 1 л E. coli можно получить около 5 мг
интерферона (для сравнения, это в 5000 раз
больше, чем из 1 л крови).
Рестрикция
ферментом
Eco R1
Трансформация (E. coli)
Трансляция
Инсулин
Плазмида
ДНК-лигаза
Получение трансгенных растений
Методы генной инженерии позволяют осу-
ществлять перенос важных генов в раститель-
ные клетки и получать измененные (трансген-
ные) растения. Для этого используют бактерии
Agrobacterium tumefaciens, которые содержат плаз-
миды Тi (tumor inducing).
Получение трансгенных растений включает
следующие этапы:
• введение фрагмента ДНК из плазмиды Тi в
плазмиду E. coli;
• введение в полученную плазмиду необходи-
мого гена (например, гена устойчивости к патоге-
нам) и гена маркера для отбора (гена устойчивости
к антибиотику);
• перенос рекомбинантной плазмиды в бакте-
рию A. tumefaciens;
• инфицирование растения бактериями A.
tumefaciens;
• отбор трансформированных растений (устой-
чивых к патогенам).
Таким способом уже получены растения картофеля, томатов и других видов, устойчивых к различ-
ным патогенам. В медицине генно-инженерные методы открывают кардинально новые возможности в
лечении наследственных болезней (генная терапия), ставя на повестку дня вопросы замены патологи-
ческих генов на нормальные.
Однако использовать технологию рекомбинантной ДНК следует с особой осторожностью, прини-
мая во внимание этические проблемы, возможную опасность для окружающей среды и другие нега-
тивные последствия бесконтрольного применения этих методов.

Традиционные и современные биотехнологии

Традиционные и современные биотехнологии 2. 4
Биотехнология – это совокупность способов и методов получения необходимых для человека ве-
ществ и продуктов с использованием живых организмов. Как наука биотехнология занимается также
улучшением и получением новых штаммов микроорганизмов, новых сортов растений и пород живот-
ных.
Биотехнологические процессы человек применяет с древних времен: для получения молочнокис-
лых продуктов, изготовления различных напитков, в хлебопечении и т. д.
Большого прогресса биотехнология достигла с развитием молекулярной биологии, биохимии, гене-
тики и других биологических наук.
Биотехнологические подходы и методы можно разделить на традиционные и современные.
1. Традиционные биотехнологии
• применяют с древних времен (6000 лет до н. э.);
• основаны на традиционных методах культивирования микроорганизмов;
• не исключают использование современных методов (клонирование ДНК, клеточные культуры и др.).
1.1. Промышленная микробиология – обеспечивает получение необходимых продуктов из культур
микроорганизмов.
1.2. Техническая биохимия – обеспечивает получение веществ на основе ферментативного катализа
и культивирования гибридомных клеток.
2. Современные биотехнологии
• начали использовать относительно недавно (около 50–100 лет);
• основаны на современных методах (технология рекомбинантной ДНК, клеточные культуры и др.).
2.1. Генная инженерия – обеспечивает получение продуктов путем создания новых генетических
структур с использованием технологии рекомбинантной ДНК;
2.2. Клеточная инженерия – обеспечивает получение необходимых веществ на основе культур рас-
тительных и животных клеток.
В настоящее время биотехнологическими методами получают многие необходимые человеку про-
дукты и вещества (см. таблицу).
Достижения традиционных и современных биотехнологий вносят существенный вклад в решение
глобальных проблем человечества.
Продукты, полученные традиционными и современными биотехнологическими способами
Отрасли
биотехнологии
Продукты, полученные в различных отраслях
сельское
хозяйство
пищевая
промышленность
медицина
химическая
промышленность
энергетическая
промышленность
Промышленная
биотехнология
корма, аминокислоты,
витамины,
гормоны, антибиотики,
ферменты,
удобрения,
биоинсектициды
аминокислоты,
витамины, полисахариды,
напитки,
продукты
питания,
лимонная
и уксусная
кислоты
витамины, гормоны, антибиотики,
ферменты,
вакцины, полисахариды,
алкалоиды, нуклеотиды,
диагностические препараты,
глюконовая кислота
органические
растворители
(ацетон, бутанол,
этанол),
молочная
кислота,
ферменты
этанол, метанол,
этилен, водород,
метан,
биогаз
Техническая
биохимия
моноклональные
белки, ферменты,
гормоны, вакцины,
интерферон
ферменты
моноклональные
антитела, ферменты,
гормоны, вакцины,
интерферон
ферменты,
пигменты,
растворители
АТФ
Генная
инженерия
клоны, гормоны,
вакцины,
трансгенные
организмы,
азотфиксирующие
линии растений
полисахариды,
аминокислоты
гормоны,
вакцины, интерферон
Клеточная
инженерия
новые формы
растений
и животных,
клоны
полисахариды алкалоиды, эфирные
масла
пигменты,
латекс биогаз
80 2. Селекция организмов. Биотехнологии
Проблема питания: получение продуктов питания (молочнокислые и хлебопекарные продукты);
изготовление напитков; получение органических кислот (лимонная, уксусная) и др. Полученные био-
технологическим путем продукты в определенной степени возмещают недостаток природных продук-
тов питания.
Энергетическая проблема: получение биогаза; получение метанола и этанола; синтез АТФ и др.
Биотехнологические продукты реже традиционных используют в качестве источников энергии.
Проблемы сырья: извлечение металлов из руд, переработка промышленных отходов с целью их
вторичного использования. Биотехнологические продукты можно рассматривать как альтернативные
природным ресурсам источники сырья, запасы которых на планете резко уменьшаются.
Экологическая проблема: использование микроорганизмов для очистки сточных вод и промыш-
ленных отходов. Благодаря биотехнологическим способам получения нужных веществ решается про-
блема сохранения разнообразия растительного и животного мира.
Проблема охраны здоровья: получение антибиотиков; получение вакцин; получение монокло-
нальных антител и др. Биотехнологические продукты используют в лечении различных заболеваний.
Особые перспективы в будущем открывает генная терапия.