9.4. Современные концепции происхождения жизни на Земле.

Академик М.В. Волькенштейн: «Жизнь есть форма существования макроскопических гетерогенных открытых сильнонеравновесных систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению».

Макроскопичность – организм содержит большое число атомов.

Гетерогенность – организм образован из множества веществ.

Открытость – непрерывный обмен энергией и веществом с окружающей средой.

Главная проблема биологии — создание единой теории живого.

Шесть концепций происхождения жизни

1. Креационизм.

2. Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества.

Луи Пастер, французский биолог, ХIX век –невозможность самозарождения простых организмов (пастеризация).

3. Концепция стационарного состояния жизни.

4. Концепция случайного однократного зарождения жизни.

Герман Миллер, американский генетик (1890-1967 г.) гипотеза случайного возникновения молекулы живого в результате взаимодействия простейших веществ.

5. Концепция панспермии.

Г. Рихтер, немецкий врач в 1865 г. выдвинул гипотезу о занесении живых существ на Землю из Космоса.

С. Аррениус, шведский химик, 1908 г. – зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся под влиянием космических лучей и оседают на поверхности планет.

Джеймс Джинс, английский астрофизик (1877-1946 г.): «жизнь — это плесень, возникающая на поверхности небесных тел».

Майо Гринберг, голландский профессор : «Жизнь на Землю занесли кометы. Это в их газовых хвостах зародились первые живые клетки».

Гринберг воспроизвел в своей лаборатории «кометные условия» и получил сложные органические соединения.

6. Концепция биохимической эволюции.

А. И. Опарин, русский ученый, (1894-1980 г.): «зарождение жизни на Земле — длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой».

Три этапа

1. Синтез в водной среде простейших органических соединений (пептидов) в условиях первичной атмосферы ранней Земли ~ 3,8 млрд. лет назад.

2. Формирование в водоемах Земли из органических соединений биополимеров.

3. Самоорганизация сложных органических соединений, завершающаяся образованием простейшей клетки.

Скачок эволюции аминокислоты – живая клетка до сих пор необъясним.

10. Жизнь на нашей планете. Человек и природа.

10.1.Термодинамика и энергетика живых систем

Любые живые организмы являются открытыми сильнонеравновесными термодинамическими системами.

Производство энтропии:

S_V = S_v(внутр.) + S_V(внеш.)

S_V < 0 – развитие системы; S_V > 0 – раcпад системы.

Если потоки вещества и энергии постоянны, то состояние системы стационарно.

Для стационарного состояния S_V = 0

S_v(внеш.) = -S_V(внутр.)

Баланс энергии в природе

Первоисточник энергетического потока - энергия солнечного электромагнитного излучения.

Завершение - переработка микробами органических остатков жизнедеятельности и освобождение энергии в виде тепла.

Энтропия поступающего на Землю коротковолнового излучения меньше, чем энтропия длинноволнового излучения, излучаемого нашей планетой.

Автотрофы – организмы, синтезирующие органические вещества внутри себя из неорганических веществ (фотосинтез растений).

Гетеротрофы – организмы (животные и человек), потребляющие энергию из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами.

10.2. Концепция структурных уровней организации жизни

1. Молекулярно-генетический уровень.

2. Клеточный уровень.

3. Органно-тканевый и организменный уровни.

4. Популяционно-видовой уровень.

5. Биогеоценотический уровень.

6. Биосферный уровень.

1.Молекулярно-генетический уровень

Происходит скачок от неживой материи к макромолекулам живого.

Это уровень функционирования биополимеров: полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот.

а) Полисахариды – высокомолекулярные углеводы, участвующие в иммунных реакциях. Обеспечивают сцепление клеток в тканях.

б) Белки – биополимерные макромолекулы,

различной геометрии, составляют ~ 50% массы клетки.

Состав – длинные цепи аминокислот, которые соединяются пептидной связью СО – NН.

Аминокислоты

Из более 170 аминокислот в состав белка входит только 20.

Аминокислоты соединяются пептидной связью СО – NН с выделением молекулы воды.

Белки

Последовательность соединения аминокислот определяет свойства белка.

Функции белков.

Строительный материал – образование оболочки, и мембраны клетки; сосудов, сухожилий, волос.

2. Каталитическая функция – ферменты в составе всех клеток.

3. Регуляторная функция – гормоны (инсулин, гормон роста и т.д.).

4. Двигательная функция – сократительные белки вызывают движение.

5. Транспортная функция – белок крови гемоглобин присоединяет кислород и разносит его по тканям.

6. Защитная функция – выработка белковых тел и антител для обезвреживания чужеродных веществ.

7. Энергетическая функция – 1 г белка эквивалентен 17,6 кДж энергии.

Нуклеиновые кислоты

Это фосфорсодержащие биополимеры, носители и передатчики генной информации.

Две разновидности:

1. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

2. Рибонуклеиновая кислота (РНК).

Белки и нуклеиновые кислоты обладают хиральностью – несовместимы со своим изображением в плоском зеркале.

В природе:

Белки – поворачивают плоскость колебаний света влево.

Нуклеиновые кислоты – поворачивают ее вправо.

Хиральность соединений

2.Клеточный уровень

Клетка - мельчайшая элементарная живая система; первооснова строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов.

Состоит из трех частей:

1. Плазматическая мембрана, контролирующая переход веществ из окружающей среды в клетку и обратно.

2. Цитоплазма - водно-солевой раствор с растворенными и взвешенными в нем ферментами и другими веществами.

В цитоплазме находятся рибосомы, в которых происходит синтез белка.

1. Ядро, в котором находятся хромосомы.

Хромосома - длинное нитевидное тело, состоящее из ДНК и присоединенного к ней белка.

Клетка

Ядро – важнейшая составляющая клетки!

Ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, а также регулирует процессы обмена веществ в клетке.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы:

а) прокариоты – клетки, лишенные ядра,

например, бактерии.

б) эукариоты – клетки, содержащие ядра. Это

простейшие, грибы, растения, животные.

Отдельная группа вирусы – мельчайшие бесклеточные организмы на границе живой и неживой природы. Они внедряются в среду чужих клеток.

Клеточный цикл эукариот

1. Период клеточного роста – интерфаза, во время которой происходит:

   • синтез белка;

   • удвоение ДНК;

   • подготовка к делению клетки.

• 2. Период клеточного деления:

  • митоз – деление клеточного ядра на два, обеспечивающее одинаковое распределение генетического материала между дочерними клетками;

  • цитокинез - деление тела клетки.

Дочерним клеткам передается полный набор хромосом с генетической информацией (перед делением число хромосом удваивается).

3. Органно-тканевый и организменный уровни

Из тканей состоят различные органы живых организмов.

Система совместно функционирующих органов образует организм.

Эти уровни отражают

а) строение и функции органов живых

существ;

б) признаки отдельных особей, их строение,

физиологию, поведение. 

4. Популяционно-видовой уровень

Популяция - совокупность организмов одного типа, относительно изолированных от других групп.

Это генетически открытые системы, элементарные единицы эволюции.

Вид состоит обычно из нескольких популяций.

Особи одного вида могут скрещиваться.

На популяционно-видовом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.

5. Биогеоценотический уровень

Биогеоценоз - устойчивая саморегулирующаяся экологическая система, в которой связаны органические и неорганические компоненты.

Совокупность двух понятий:

а) биоценоз - исторически сложившееся сообщество популяций, проживающих на одной территории;

б) биотоп - относительно однородное пространство, занятое одним биоценозом.

6. Биосферный уровень

Биосфера Земли - совокупность биогеоценозов.

Наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на нашей планете.

10.3. Воспроизводство жизни

С истема воспроизведения организма (ДНК и РНК) содержит информацию для построения белка.

Структура ДНК

ДНК - хранитель генетической информации, вместе с белками образует хромосомы.

В ДНК две комплементарные пары:

тимин + аденин (Т-А) или цитозин + гуанин (Ц-Г).

В 1953 г. Дж. Уотсон (американский биохимик) и Ф. Крик (английский генетик) доказали, ДНК представляет собой двойную спираль.

Мономеры ДНК и РНК – нуклеотиды (10-25 тысяч).

Состав: сахарофосфатные группировки и азотистое основание.

Длина одной ДНК – порядка 90 см.

Двойная спираль ДНК

Остовы цепей – сахарофосфатные группировки.

Перемычки – азотистые основания.

Структура РНК

РНК - считывает, переносит генетическую информацию и строит белки.

В РНК комплементарные пары:

урацил + аденин (У-А) или цитозин + гуанин (Ц-Г).

Три вида РНК

• матричная (информационная) – считывание с ДНК и перенос информации о структуре белка;

• транспортная – перенос аминокислот в рибосомы к месту синтеза белка.

• рибосомная – служит ферментом для осуществления синтеза белка;

Процесс воспроизводства жизни

Центральная догма биологии:

ДНК  РНК  БЕЛОК.

Три стадии воспроизводства:

1. Репликация - удвоение молекулы ДНК. Ветви расплетаются и образуются две ДНК, в каждой одна новая и одна старая ветвь – передача информации новой клетке.

2. Транскрипция - перенос кода ДНК путем образования молекулы матричной РНК.

3. Трансляция - синтез белка на основе матричной РНК.

С помощью рибосомных РНК транспортные РНК соединяют подвешенные к ним аминокислоты.

Передача генетической информации

Г. Гамов, русский физик:

Для кодирования одной аминокислоты в белке используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК, это сочетание называется кодОн.

Последовательность нуклеотидов в цепочке ДНК образует генетический код.

Ген – участок ДНК, элементарная единица наследственности.

Каждый ген определяет строение одного из белков и тем самым участвует в формировании признака или свойства организма.

Совокупность генов образует генОм организма.

Генная инженерия

Три принципа:

1. Непосредственное преобразование (мутация) генов.

Факторы, вызывающие мутацию (мутагены): радиация, токсичные химические соединения, вирусы.

2. Рекомбинация генов.

Происходит перемещение генов с одного участка хромосомы на другой или идет обмен генами между двумя хромосомами.

3.  Неклассическая рекомбинация генов.

При этом происходит включение в геном клетки новых генетических элементов. В природе это делают вирусы.

10.4. Учение о биосфере.

В. И. Вернадский, русский ученый (1863-1945 г.) – впервые изучение влияния живых организмов на окружающую среду.

Живое вещество - совокупность всех живых организмов планеты, включая человека.

Биосфера включает в себя живое вещество и преобразованную им окружающую среду.

Это область пространства, в которой осуществляется обмен веществ вследствие деятельности жизни.

Границы биосферы

Структура биосферы

1. Живое вещество.

2. Биогенное вещество, созданное в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, уголь, нефть…).

3. Косное вещество, сформированное без участия жизни, к нему относятся атмосфера, гидросфера и литосфера.

4. Биокосное вещество — результат взаимодействия организмов и небиологических процессов (например, почва, озерная вода).

5. Вещество космического происхождения.

Живое вещество Земли составляет ~ 0,01-0,02% от косного вещества, но выполняет системообразующую роль в биосфере,

10.5. Современный экологический кризис.

1. Нарушение биотического круговорота вещества - человек стремится взять как можно больше.

2. Истощение ресурсов организмов, способных синтезировать органические вещества.

3. Проблема несоответствия растущих потребностей увеличивающегося в геометрической прогрессии человечества и уменьшающихся запасов ресурсов.

4. Нарастающая интенсивность мутагенеза и рост генетической неполноценности человечества.

5. Появление новых вирусных заболеваний.

6. Рост нервно - психических заболеваний.

Стабильность биосферы

Наступил глобальный экологический кризис, у которого две стороны — кризис природы и кризис человека.

Потеря стабильности биосферы грозит ее необратимым переходом в новое состояние, непригодное для жизни вообще.

Сохранение биосферы возможно только при переходе в качественно новое состояние.

Ноосфера - сфера разумного взаимодействия человека и природы.

Коэволюция - принцип гармонического совместного развития природы и общества.

Международные организации охраны окружающей среды.

1. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ),

2. Всемирная метеорологическая организация (ВМО),

3. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ),

4. Международный союз по охране природы и природных ресурсов (МСОП) - Красные книги.

5. Многолетние целевые международные программы, такие, как «Арктический совет», «Балтика XXI век» и т.д.