Структурные уровни живого и этапы его эволюции

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ЖИВОГО и ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ ЖИВОГО 

Мир живого чрезвычайно многообразен и имеет  сложную структуру.

В 20-е  годы 20-го столетия американские философы Браун и Солларс предложили понятие «структурные уровни» организации живого. Кроме различий по классам сложности и закономерностям функционирования, они выдвинули идею иерархической соподчиненности уровней вхождения каждого последующего в предыдущий с образованием единого целого.

Критерии  разделения живого мира могут быть различными.

Самым распространенным является деление живых систем на основе масштабности. В соответствии с этим выделяются:

1. Молекулярный уровень.

2. Клеточный и субклеточный уровни.

3. Организменный и органно-тканевой уровни.

4. Популяционно-видовой уровень.

5. Биоценозный уровень.

6. Биосфера. 

1) Предмет  изучения молекулярной биологии. Важнейшей проблемой является изучение механизмов передачи генной информации и ее практическое использование (генная инженерия и биотехнологии).

2) Отражает  процессы функционирования клеток и внутриклеточный механизм.

3) Отражают строение, физиологию, поведение и индивидуальность отдельных особей, функции и строение органов и тканей живых существ.

4) Ограничивается особями одного вида, свободно скрещивающимися между собой. Этот уровень составляет ядро исследований эволюции живого, его исторического развития.

5) Сообщества различных видов, занимающие отдельные участки Земли с определенным составом живых и неживых организмов, составляет уровень биогеоценозов.

Такие сообщества представляют собой достаточно целостные системы, в которых существование одних видов без других невозможно, так как их обмен веществ приспособлен друг к другу и одни виды используют продукты метаболизма других видов и их самих в качестве пищи. Без знания структуры и основ работы биогеоценозов или экосистем невозможно рациональное использование природы.

6) Биосферный уровень включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

Термин  «биосфера» был введен в научный  оборот австрийским геологом Эдвардом Зюссом и первоначально подразумевал совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете. Позднее было установлено, что биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы. Два главных компонента биосферы - живые организмы и среда их обитания - непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. 

1. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД 

    Один  из величайших прорывов науки в познании структуры живой материи на молекулярно-генетическом уровне произошел 24 апреля 1953 года. В этот день была опубликована статья американского биохимика Джеймса Уотсона и английского биофизика Френсиса Крика, раскрывающая структуру носителя наследственности всего живого на Земле молекулы ДНК.

    Рентгеноструктурные исследования и анализ результатов на ЭВМ показали, что ДНК состоит из двух цепей, закрученных между собой так, чтобы сохранялись определенные углы между разными атомными группировками. Образуется двойная спираль, в которой роль остовов цепей играют сахарофосфатные группировки, а перемычками служат основания пуринов и пиримидинов. Каждая перемычка образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем если у одного основания одно кольцо, то у другого - два. Отсюда это могут быть аденин и тимин или гуанин и цитозин. Поскольку состав перемычек всегда одинаков, то остовы цепей находятся на одном расстоянии и удерживаются вместе водородными связями между основаниями. Согласно модели Уотсона и Крика наследственную информацию несет последовательность четырех оснований (двух пуриновых и двух пиримидиновых).

Из всего  разнообразия аминокислот в белках содержится всего 20. Одной из задач молекулярной биологии было объяснение того, как четырехбуквенная запись структуры ДНК может быть переведена в двадцатибуквенную запись аминокислот белков. И здесь основной вклад в расшифровку механизма кодирования внес физик-теоретик Г. Гамов в середине 50-х годов.

По его  предположению, для кодирования  одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Такая элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодон.

Нуклеиновые кислоты, являющиеся носителями информации, выполняют три функции: 1) хранение информации; 2) реализация этой информации в процессе роста новых клеток; 3) самовоспроизведение. Информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, проявляется в образовании ферментов.

Сходство  и различие живых тел определяется набором белков. Путем синтеза  различных белков в соответствии с генетическим кодом реализуется многообразная информация о свойствах организма.

Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для  синтеза одного белка, называют геном в соответствии со знаменитой концепцией американских ученых Дж. Бидла и Э. Тейтума, выраженной формулой «один ген - один фермент».

Ген представляет собой внутриклеточную молекулярную структуру, по химическому составу это нуклеиновые кислоты, в которых основную роль играют азот и фосфор.

Гены  располагаются, как правило, в ядрах  клеток и по своей роли в организме являются своего рода «мозговыми центрами» клеток.

У высших организмов гены входят в состав хромосом самовоспроизводящихся структур, постоянно  присутствующих в ядрах клеток животных и растений и участвующих в  процессе размножения.

Гены располагаются в хромосомах в линейном порядке. Самоудвоение и распределение хромосом при клеточном делении обеспечивает передачу наследственных свойств организма от поколения к поколению. Хромосомы различимы в виде четких структур под микроскопом во время деления клеток. Каждая хромосома имеет специфическую форму и размер.

Например, у человека из 23 пар хромосом 22 пары одинаковы у мужского и женского организмов, а одна пара различна. Именно благодаря этой паре различаются два пола, ее называют половыми хромосомами (одинаковые хромосомы называются аутосомами). Половые хромосомы у женщин одинаковы, их назвали Х-хромосомами. У мужчин, кроме Х-хромосом, имеется Y-хромосома, которая и играет решающую роль при определении пола.

Совокупность  генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данной растительной или животной клетки, называется геномом.

Процесс воспроизводства состоит из трех частей: репликации, транскрипции, трансляции.

Репликация - это удвоение молекул  ДНК, необходимых  для последующего деления клеток. Основой способности клеток к самовоспроизведению является уникальное свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. Это служит условием возможности деления клетки на две идентичные.

При репликации ДНК разделяется на две цепи, после чего вдоль каждой цепи из нуклеотидов, свободно пребывающих внутри клетки, выстраивается еще одна цепь, в точности идентичная матричной.

Транскрипция  представляет собой  перенос кода ДНК  путем образования  одноцепочной молекулы информационной РНК на одном участке ДНК.

РНК отличается от ДНК тем, что вместо дезоксирибозы содержит рибозу (отличается на одну гидроксильную группу каждого сахарного кольца) и вместо тимина содержит урацил. Информационная же РНК это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы рядом лежащих генов, которые несут ннформацию о структуре белков.

Трансляция - это синтез белка  на основе генетического  кода информационной РНК в особых частях клетки - рибосомах, куда транспортная РНК доставляет аминокислоты.

Вопрос о том, каким именно путем получаются разные белки и клетки, или проблема генной активности, был решен французскими учеными Жаком Моно и Франсуа Жакобом в 1960-х годах.

Они показали, что по своим функциям все гены разделяются на «регуляторные», которые кодируют структуру регуляторного белка, и «структурные», кодирующие синтез ферментов.

Ген-регулятор  производит молекулу-репрессор. Она выключает при необходимости оператор, размещающийся на одном конце оперона (группы генов), в результате чего данные ферменты не производятся.

В 1950-х  годах было установлено, что во всех ДНК частота встречаемости аденина (А) равна частоте встречаемости тимина (Т), а гуанина (Г) в них столько же, сколько и цитозина (Ц). В этом суть «правила Чаргоффа», получившего отражение в статистическом уравнении А + Т = Г + Ц.

Молекулы  ДНК разных организмов различаются по частоте встречаемости пар нуклеотидных оснований и по порядку их расположения в молекулах. Геномы организмов различаются также по числу нуклеотидов, составляющих их ДНК. В конце 50-х годов была выдвинута гипотеза о том, что различия в частоте встречаемости и порядке расположения нуклеотидов в ДНК для разных организмов имеют специфический для видов характер. Эта гипотеза позволила изучать на молекулярном уровне эволюцию живого и характер видообразования.

Все живые  организмы на Земле состоят из одних и тех же классов органических соединений – белков, липидов, углеводов и нуклеотидов. Однако сходство на этом не исчерпывается: биохимические процессы получения и запасания энергии в клетках различных организмов также невероятно похожи. Принцип строения ДНК также оказался одинаков для всех организмов; ген из ДНК человека можно встроить в ДНК бактерии, и в результате бактерия начнёт производить белки, типичные для человека. Последовательности аминокислот в белках у родственных организмов идентичны или очень близки, и чем меньше отличий в этих последовательностях, тем более близкими друг к другу считаются организмы.

Иммунологические  исследования также свидетельствуют  об эволюционном родстве между организмами. Если белки, содержащиеся в крови, ввести в кровь животным, у которых  этих белков нет, то организм начнёт вырабатывать соответствующие антитела. Так, человеческая сыворотка, введённая в кровь кроликам, вызывает образование антител у них. Если спустя некоторое время к пробе крови кролика с антителами добавить человеческую сыворотку, то произойдёт образование комплексов антиген-антитело, выпадающих в осадок, количество которого можно измерить. Предполагая, что это количество находится в прямой зависимости от сходства между белками сывороток, можно установить степень родства между разными группами животных. 
 

2. КЛЕТОЧНЫЙ УРОВЕНЬ ЖИВОГО. ЭВОЛЮЦИЯ КЛЕТКИ 

Клетка  является основной элементарной единицей жизни, способной к воспроизводству. Именно в ней протекают все главнейшие обменные процессы, такие как биосинтез, энергетический обмен и др. Поэтому начало биологической эволюции и появление подлинной жизни связано именно с возникновением клеточной организации.

Самыми  ранними из возникших на Земле  одноклеточных организмов были бактерии, не обладавшие ядром (прокариоты). Вероятно, они жили за счет потребления органических соединений, возникающих абиогенно под действием электрических разрядов и ультрафиолетовых лучей. Организмы, обладающие ядром (эукариоты), возникли значительно позднее (около 1.5 млрд. лег назад). Кроме строения клетки, различие между прокариотами и эукариотами заключается в том, что первые могут жить как в бескислородной среде, так и в атмосфере, содержащей кислород, в то время как для эукариотов почти во всех случаях кислород обязателен.

По-видимому, прокариоты возникли в период, когда  содержание кислорода в среде  было незначительным, а ко времени  появления эукариот концентрация кислорода стала достаточно высокой.

Существенным  отличием прокариот от эукариот является то, что у последних центральным механизмом обмена стало дыхание, а у большинства прокариот энергетический обмен происходит в процессе брожения.

После появления в атмосфере достаточного количества свободного кислорода аэробный механизм оказался намного выгодней, так как при окислении углеводов в 18 раз увеличивается выход биологически полезной энергии по сравнению с брожением.