«Концепции происхождения жизни» - Проблема. Первичный генетический материал. Основная трудность гипотезы. Проблематика в современной науке. Биохимическая эволюция. Степень упорядоченности. Теория панспермии. Архиепископ Ашер. Мир РНК. Взаимодействие. Существует много теорий возникновения жизни. Французский ученый. Итальянский биолог. Основные постулаты теории биохимической эволюции. Идея самопроизвольного зарождения. Основоположник теории панспермии.

«Проблема происхождения и сущности жизни» - Естественноисторический подход. Опарин. Концепция стационарного состояния. Молекулы ДНК. В организме человека, весящего 70 кг, содержится 45,5 кг кислорода. Свойство хиральности. Креационизм. Вирусы. Messenger RNA. Анаксагор. Концепция панспермии. Идея самозарождения. Основные положения. Симпозиумы по проблеме происхождения жизни. Биополимеры. Основная заслуга Опарина. Концепция биохимической эволюции.

«Как возникла жизнь на Земле» - Концепция биогенеза. Изменение атмосферы Земли. Л.Пастер. Ван Гельмонт. Теория стационарного состояния. Самопроизвольное зарождение жизни. Возникновение жизни на Земле. Теория А.И. Опарина. Ф.Реди. Витализм. Л.Спалланцани. Панспермия. Жизнь на Земле. Естественное происхождение жизни. Опыт С. Миллера. Теории происхождения жизни. Микроорганизмы. Атмосфера Земли. Креационизм. Теория биохимической эволюции.

«Концепции происхождения жизни на Земле» - Радиационная панспермия. Клетка. Теория эволюции. Схема возникновения. Советский биохимик. Обратная направленная панспермия. Зародыши жизни. Опыты по воспроизведению аминокислот. Химик Стенли Миллер. Клетка растений. Теория панспермии. Креационизм. Что такое жизнь. Вернадский. Парацельс. Химические элементы. Живое содержание клетки. Полипептиды. Теория самозарождения. Формальдегид. Современный взгляд на возникновение жизни.

«Теории появления жизни» - Органические соединения. Коацерват. Этапы формирования жизни по Опарину. Организмы отличаются от неживых. Гипотеза биопоэза. Биогенный способ. Ван Гельмонт. Теория биохимической эволюции Опарина. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни на Земле. Гипотеза стационарного состояния. Французский микробиолог Луи Пастер. Гипотеза биохимической эволюции. Гипотеза панспермии. Что такое жизнь. Свойства белка.

«Древнейшие организмы на Земле» - Древнейшие организмы. Тип Брахиоподы. Перечень временных подразделений. В каком периоде мы с вами живем. Черты сходства. Черты сходства и различия. Оборудование. Современные представители. Ян Баптист Ван Гельмонт. Теория эволюционная. Представители класса двустворчатых моллюсков. Рождение жизни. Гребенчатый замок. Класс Трилобиты. Класс Двустворчатые Моллюски. Геохронологическая таблица. Теория божественного происхождения.

Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле . Ι вариант.

1. Живое отличается от неживого

А – составом неорганических соединений

Б – наличием катализаторов

В – взаимодействием молекул друг с другом

Г – обменными процессами, обеспечивающими постоянство структурно-

Функциональной организации системы

2. Первыми живыми организмами на нашей планете были:

А – анаэробные гетеротрофы

Б – аэробные гетеротрофы

В - автотрофы

Г – организмы-симбионты

3. Гипотеза – это

А – логическое обобщение опыта

Б – научно поставленный опыт

В – научное предположение

Г – изучение изменений, происходящих в природе

4. Биологической системой называют

А – органы живого организма

Б – несколько рядом расположенных органов

В – объединение однородных клеток

Г – биологические объекты разной степени сложности, имеющие несколько

Уровней организации

5. Химическая эволюция на древней Земле завершилась

А – абиогенным синтезом биологических мономеров

Б – образованием полипептидов

В – синтезом биополимеров

Г – случайно возникшим объединением белков и нуклеиновых кислот

6. Опыты Л. Пастера доказали возможность

А – самозарождения жизни

Б – появления живого из живого

В – занесения «семян жизни»

Г – биохимической эволюции

7. Для биологической эволюции на Земле решающую роль сыграли космические, планетарные и химические условия, обеспечившие наличие воды:

А – в газообразном состоянии

Б – в твёрдом состоянии

В – в жидком состоянии

Г – в виде водной «рубашки», окружающей органические молекулы

8. Половым процессом в истории Земли первыми обладали:

А – протобионты

Б – аэробные бактерии

В – эукариоты

Г – прокариоты

9. Первые эукариоты, давшие начало животным, получали энергию, необходимую для жизнедеятельности

А – образуя пирофосфат

Б – поглотив аэробные бактерии

В – «заключив союз» с первичными фотосинтетиками

Г – используя ультрафиолетовое излучение

10. Коацерват – это

А – пузырьки жидкости, окруженные белковыми плёнками

Б – фазообособленная система, взаимодействующая с внешней средой по типу

Открытой системы

В – высокомолекулярное органическое соединение

Г – молекулы, окруженные водной оболочкой

Происхождение и начальные этапы жизни на Земле. Ι Ι вариант

1. Согласно теории самопроизвольного зарождения жизнь:

А – возникала неоднократно из неживого вещества

Б – занесена на нашу планету из вне

В – была создана сверхъестественным существом в определённое время

Г – возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам

2 .Окончательно в 1861 г. доказал опытным путём невозможность появления живого из неживого

(абиогенез) на Земле:

А – Ф. Реди в – А. Левенгук

Б – Л. Пастер г – Л. Спалланцани

3 . Впервые в 1924 г. высказал предположение об абиогенном происхождении органических

Веществ на Земле и сформулировал коацерватную гипотезу:

А – Дж. Холдейн в – С. Миллер

Б – А. Опарин г – Дж. Бернал

4. Согласно современным представлениям, необходимыми для возникновения жизни на Земле являлись:

А – определённые химические соединения и отсутствие газообразного кислорода

Б – наличие источника энергии, определённые химические соединения и безгранично долгое время

В - безгранично долгое время, определённые химические соединения и отсутствие газообразного кислорода

Г - определённые химические соединения, наличие источника энергии, отсутствие газообразного кислорода, безгранично долгое время

5. Впервые в 1953 г. экспериментально осуществили абиогенный синтез органических веществ из неорганических:

А – С. Миллер, Г. Юри в – С. Фокс, С.Миллер

Б – А. Опарин, Дж. Холдейн г - Дж. Холдейн, Г. Юрии

6 . Самопроизвольное зарождение жизни на Земле в наше время представляется маловероятным потому, что:

А – на Земле слишком мало действующих вулканов

Б – не хватает ультрафиолетового излучения, чтобы обеспечить процесс энергией

В – электрическая активность атмосферы является недостаточной для синтеза соединений

Г – химические соединения, из которых могла бы возникнуть жизнь, мгновенно были бы

Окислены или поглощены существующими организмами

7. Согласно коацерватной гипотезе, коацерваты обладали свойствами живого потому, что они:

А – состояли из белковых молекул и избирательно поглощали вещества

Б – обладали способностью к воспроизводству и самообновлению химического состава

В – избирательно поглощали вещества, увеличивали свой объём и распадались при определённых условиях на более мелкие

Г – реагировали на изменение химического состава окружающей среды и сами выделяли соединения, изменяющие её

8. Первые живые организмы (пробионты), появившиеся на Земле, по способу питания были:

А – анаэробными гетеротрофами в – аэробными хемотрофами

Б – анаэробными фототрофами г – аэробными гетеротрофами

9. Согласно теории биохимической эволюции жизнь:

А – существовала всегда

Б - возникала неоднократно из неживого вещества

В - занесена на нашу планету из вне

10. Согласно теории панспермии жизнь

А - возникала неоднократно из неживого вещества

Б - занесена на нашу планету из вне

В - была создана сверхъестественным существом в определённое время

Г - возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам

Происхождение жизни

1.Коацерваты были первыми живыми организмами на Земле.

2.Теория абиогенеза предполагает возможность происхождения живого только от живого.

3..Пастер своими опытами доказал невозможность самозарождения жизни.

4. Наиболее существенная черта гипотезы Опарина – постепенное усложнение химической структуры и морфологического обмена предшественников. Жизни на пути к живым организмам.

5.Коацерваты не способны адсорбировать вещество из окружающего раствора.

6.Жизнь возникла биогенным путем.

7. Жизнь на Земле появилась около 3,5 миллионов лет назад

8. В настоящее время на Земле невозможно самозарождение живых организмов.

9. Коацерват – это пузырьки жидкости, окружённые белковыми плёнками.

10. Первые живые организмы на нашей планете были аэробными гетеротрофами.

Происхождение жизни

1.Коацерваты были первыми живыми организмами на Земле.

2.Теория абиогенеза предполагает возможность происхождения живого только от живого.

3..Пастер своими опытами доказал невозможность самозарождения жизни.

4. Наиболее существенная черта гипотезы Опарина – постепенное усложнение химической структуры и морфологического обмена предшественников. Жизни на пути к живым организмам.

5.Коаерваты не способны адсорбировать вещество из окружающего раствора.

6.Жизнь возникла биогенным путем.

7. Жизнь на Земле появилась около 3,5 миллионов лет назад

8. В настоящее время на Земле невозможно самозарождение живых организмов.

9. Коацерват – это пузырьки жидкости, окружённые белковыми плёнками.

10. Первые живые организмы на нашей планете были аэробными гетеротрофами.

Происхождение жизни

1.Коацерваты были первыми живыми организмами на Земле.

2.Теория абиогенеза предполагает возможность происхождения живого только от живого.

3..Пастер своими опытами доказал невозможность самозарождения жизни.

4. Наиболее существенная черта гипотезы Опарина – постепенное усложнение химической структуры и морфологического обмена предшественников. Жизни на пути к живым организмам.

5.Коацнерваты не способны адсорбировать вещество из окружающего раствора.

6.Жизнь возникла биогенным путем.

7. Жизнь на Земле появилась около 3,5 миллионов лет назад

8. В настоящее время на Земле невозможно самозарождение живых организмов.

9. Коацерват – это пузырьки жидкости, окружённые белковыми плёнками.

10. Первые живые организмы на нашей планете были аэробными гетеротрофами.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего

Среднетехнический факультет

Кафедра математических и естественнонаучных дисциплин

БИОЛОГИЯ

Конспект лекций

для студентов 1 курса

всех форм обучения

Кемерово 2010

Составитель:

Преподаватель,

Рассмотрено и утверждено на заседании

кафедры математики и естественнонаучных дисциплин

среднетехнического факультета

В курсе общей биологии рассмотрены основные аспекты существования и функционирования живых систем, во взаимосвязи с окружающей средой. А также, основы селекции живых организмов и генной инженерии. Большое внимание уделено раскрытию теории эволюции.

© Кем ТИПП, 2010

ПРЕДИСЛОВИЕ

Наше время характеризуется чрезвычайно возросшей взаимозависимостью людей. Жизнь человека, его здоровье, условия его труда и быта почти целиком зависят от правильности решений, принимаемых очень многими другими людьми. В свою очередь, деятельность отдельного человека та же влияет на судьбу многих других. Именно поэтому очень важно, чтобы наука о жизни стала неотъемлемой частью мировоззрения каждого человека, независимо от его специальности. Строителю, технологу, мелиоратору знание биологии необходимо так же, как врачу или агроному ибо только в этом случае они будут представлять последствия своей производственной деятельности для природы и человека.

Цель данного курса лекций – дать представление о структуре живой материи, наиболее общих ее законах, познакомить с многообразием жизни и историей её развития на Земле. В соответствии с этим особое внимание уделяется анализу взаимоотношений между организмами и условиями устойчивости экосистем. В курсе приведены примеры, характеризующие подчиненность человека всем известным биологическим законам.

РАЗДЕЛ 1 ПРОИСХОЖДЕНИЕ И НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Тема 1.1 Многообразие живого мира. Основные

свойства живого

Терминология

1. Неорганические соединения – элементы и образуемые ими простые и сложные вещества, встречающиеся в больших количествах вне живых организмов.

2. Органические соединения – соединения углерода с другими элементами, встречающиеся преимущественно в живых организмах.

3. Биополимеры – высокомолекулярные органические соединения, мономерами которых являются простые органические молекулы.

4. Клетка – структурно-функциональная единица, а так же единица развития всех живых организмов.

5. Ткань – совокупность сходных по строению клеток, связанных выполнением общих функций.

6. Орган – совокупность пространственно изолированных тканей, специализированная на выполнении определенных функций.

7. Биологическая система – биологические объекты разной степени сложности, имеющие несколько уровней организации. Обладает свойствами целого.

Биология – это наука о жизни. Биология изучает строение, проявление жизнедеятельности, среду обитания всех живых организмов планеты. Живое на планете представлено необычайным многообразием форм, множеством видов живых существ. Ученые постоянно находят и описывают новые виды как существующие, так и вымершие в минувшие эпохи.

Одной из основных задач биологии является раскрытие общих свойств живых организмов и объяснение причин их многообразия, выявление связей между строением и условиями обитания.

Важное значение в науке имеют вопросы возникновения и законы развития жизни на Земле – эволюционное учение. Понимание этих законов является основой научного мировоззрения.

По предмету изучения биология подразделяется на отдельные науки:

Ботаника;

Зоология;

Анатомия;

Медицина;

Экология и т. д.

Каждая из этих наук имеет собственные подразделения и благодаря накопленным знаниям – все более специализируется.

В соответствии с уровнем организации живой материи выделяются научные дисциплины: молекулярная биология , цитология – учение о клетке, гистология – учение о тканях и т. д.

Биология использует самые различные методы изучения:

1. исторический;

2. описательный;

3. инструментальный.

В различных областях биологии все больше взрастает значение пограничных дисциплин: биофизика , биохимия, бионика.

Возникновение жизни и функционирование живых организмов обусловлены естественными законами. Познание их позволяет составить точную картину мира и использовать в практических целях.

Достижения биологии последнего времени привели к возникновению новых направлений в науке, ставших самостоятельными разделами в комплексе. (Генная инженерия). Практическое применение достижений современной биологии, в настоящее время позволяет получить новые биологические вещества – пищу, лекарства, материалы. Исключительная способность природы к самовосстановлению создала иллюзию ее неуязвимости, безграничности ее ресурсов. Но это не так. Поэтому вся деятельность человека должна строиться с учетом принципов организации биосферы .

Значение биологии для человека огромно. Общебиологические закономерности используются при решении самых разных вопросов во многих отраслях народного хозяйства. В сельском хозяйстве достигнуты большие успехи по выведению новых сортов культурных растений, пород домашних животных, штаммов микроорганизмов. В дальнейшем практическое значение биологии еще больше возрастет. Это связано с быстрыми темпами роста населения планеты, с возрастающей численностью городского населения. В такой ситуации важна интенсификация сельхозпроизводства. Важную роль в этом будет играть научно обоснованное использование природных ресурсов.

Первые живые существа появились на нашей планете 3 млрд. лет назад. От этих ранних форм возникло бесчисленное множество видов живых организмов, которые, появились, процветали в течение определенного времени, а затем вымирали. От ранее существовавших форм произошли современные живые организмы, образующие четыре царства природы:

Более 1.5 млн. видов животных;

350 тыс. видов растений;

Значительное количество видов грибов;

Множество организмов – прокариотов.

Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими системами различной структурной организации. Все живые организмы состоят из клеток. Клетка может быть отдельным организмом и частью многоклеточного растения или животного. Она может быть простейшей или сложной. Любая клетка представляет собой целый организм, способный выполнять все функции для обеспечения жизнедеятельности. Клетки, входящие в состав многоклеточного организма специализированны – они выполняют одну функцию и не способны существовать вне организма. У высших организмов взаимосвязь и взаимозависимость клеток приводит к созданию нового качества, не равного простой сумме. Соединения их в процессе эволюции образует целостный организм с определенными, присущими только ему свойствами.

Уровни организации живой материи

Живая природа представляет собой сложноорганизованную систему.

Существует несколько уровней организации живого:

1. Молекулярный (0,1 – 1 мм.) 10м.

С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма. Любая система, как бы сложно она не была устроена, осуществляется на уровне взаимодействия биологических макромолекул – белков, полисахаров, ДНК.

2. Клеточный (10нм – 1мкм) 1м.

Клетка – наименьшая структурная единица всего живого. Неклеточных форм жизни нет. Вирусы – исключение т. к. живут только в клетке.

3. Тканевый (10мкм – 100мкм) 1м.

Ткань представляет собой совокупность сходных по строению клеток, объединенных выполнением общей функции.

4. Органный (100мкм – 1мм) 1м.

Орган – это структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей.

5. Организменный (1мм – 1дм) 1м.

Организм – это простейшая одноклеточная или многоклеточная система, способная к самостоятельному существованию. Он образован совокупностью тканей и органов.

6. Популяционно – видовой.

Совокупность организмов одного вида, объединенная общим местом обитания создает популяцию, в которой протекают элементарные эволюционные преобразования.

7. Биогеоценотический.

Биогеоценоз – совокупность организмов разных видов и разной сложности организации со всеми факторами среды.

8. Биосферный.

Это высший уровень организации жизни. В него входят – живое вещество, косное вещество и биокосное вещество.

Биомасса планеты 2,5·1012 т. Из них 99% масса организмов суши представлена зелеными растениями. На биосферном уровне происходят круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов планеты.

Критерии живых систем

Это система оценок отличающих живые системы от объектов неживой природы.

1. Особенности химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако их соотношение неодинаково. Элементы неживой природы представлены: О2, Si, Fe, Mg, Al, S, MeO, MeS, MeCO3 и т. д. В живых организмах 98% состава приходится на O2, C, N2, H2. Они входят в состав сложных органических молекул: белков, ДНК, углеводов, жиров.

2. Метаболизм. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой. Важнейшими процессами являются синтез и распад. Живые организмы поглощают из среды различные вещества, они перерабатываются. Часть идет на строительство организма, часть – на пополнение энергозатрат. Это ассимиляция или пластический обмен. Это диссимиляция или энергетический обмен, когда органические соединения распадаются на простые и выделяется энергия. Метаболизм обеспечивает гомеостаз организма – это постоянство его строения и функций.

3. Единый принцип структурной организации. Все организмы на любой ступени сложности и размеров состоят из клеток.

4. Репродукция. На организменном уровне репродукция проявляется в виде размножения особей. Потомство сходно с родителями. В основе самовоспроизведения лежит реакция матричного синтеза при самоудвоении ДНК.

5. Наследственность . Это способность организмов передавать свои признаки, свойства, способности из поколения в поколение. Наследственность обеспечивает материальную преемственность в ряду поколений.

6. Рост и развитие. Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное изменение объектов природы. В результате возникает новое, качественное состояние объекта, изменяется его состав и структура.

А) индивидуальное – онтогенез.

Б) историческое – филогенез.

7. Раздражимость. Это свойство живых организмов избирательно реагировать на внешние воздействия. Многоклеточные организмы реагируют на раздражение по средствам рефлекса. Организмы не имеющие нервной системы реагируют тропизмами – направлением роста, движения (гелиотропизм – движение к солнцу).

8. Дискретность. Это свойство живой материи. Она идет от простого к сложному. Дискретность строения организма – основа его структурного порядка.

9. Авторегуляция . Это способность живых организмов в условиях меняющейся среды поддерживать постоянство химсостава и интенсивность физиологических процессов. Эта деятельность регулируется функцией особых систем.

10. Энергозависимость. Живые тела – это энергетически открытые системы. Обменные процессы осуществляются в них через оболочки (мембраны, кожа). Они поддерживают постоянство состава и единство системы. Живые организмы существуют при постоянном поступлении материи и энергии извне.

Жизнь – это активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение специфической структуры.

Контрольные вопросы

1. Сущность термина «Биология».

2. Подразделение биологии по предмету изучения.

3. Подразделение биологии по уровню организации.

4. Значение биологии для человека.

5. Многообразие живого мира.

6. Биологические системы.

7. Уровни организации живого.

8. Критерии живых систем.

Тема 1.2 Возникновение жизни на Земле

Терминология

1. Туманность – скопление газово-пылевой материи во вселенной, имеющее большие размеры.

2. Галактика – звезда и окружающие ее планеты.

3. Звездная система – система звезд с окружающими их планетами, развивающаяся из одной туманности.

4. Планета – небесное тело, совершающее движение по близкой к круговой орбите вокруг звезды, светящееся отраженным светом.

5. Абиогенный синтез – образование органических молекул из неорганических вне живых организмов.

6. Энергия – общая количественная мера количества движения материи.

7. Раствор – однородные смеси двух или нескольких веществ, распределенных в растворителе.

8. Коацервация – разделение раствора ВМС на фазы с большей и меньшей концентрацией молекул.

9. Коацерват – пузырьки жидкости, окружённые белковыми пленками.

10. Адсорбция – поглощение вещества из жидкой среды поверхностью твердого тела.

Вопрос о происхождении жизни на Земле, а так же, вероятно и на других планетах иных звездных систем волновал человека с той поры, как он начал осознавать себя человеком, стал познавать себя и окружающий мир. Первые попытки теоретического решения вопроса восходят к глубокой древности и носят отпечатки тех эпох и воззрений. В этом вопросе с глубокой древности существуют две точки зрения: одна утверждает возможность происхождения живого от неживого – это теория абиогенеза, другая – теория биогенеза – отрицает самопроизвольное зарождение жизни. Современные воззрения позволяют только поставить этот спор на научную почву и тем самым обосновать правильность теории абиогенеза.

Представления древних и средневековых философов

Общий уровень знаний в древнем мире был невысок, взгляды отличались фантастичностью. Незнание способов размножения организмов служило причиной того, что считалось возможным возникновение живых существ из мертвых останков, либо неорганических веществ. Эти взгляды поддерживались церковью. Открытие микроскопа расширило представления о строении организмов, теория происхождения живого от неживого была отвергнута. Опытами итальянца Реди (середина XVII в.) было доказано что все живое происходит от живого. Однако теория самозарождения живого из неживого еще долго существовало в ушах ученых. Опыты француза Л. Пастера окончательно развеяли эту теорию. На основе работ Пастера были разработаны методы стерилизации и консервирования. Это произошло в 1870г.

В дальнейшем этот вопрос был перенесен на клетку, а микроорганизмы больше не рассматривались. Одновременно с работами Пастера возникла теория вечности жизни. Согласно теории Рихтера в 1865г жизнь на Землю была занесена с других планет. Эта теория не раскрывает сути происхождения жизни, она лишь пытается объяснить ее появление.

Особое место в решении вопроса принадлежит материалистическим теориям. Ключевым вопросом здесь являются различия между живым и неживым. За основу происхождения живого ученые принимают образование белковых соединений. Согласно теории англичанина Эллена в 1899г. первое появление азотистых соединений на Земле приурочено к периоду, когда пары воды сконденсировались в воду и покрыли поверхность планеты. Вода была насыщена солями, имеющими большое значение для образования и деятельности белка. В этом горячем растворе, в присутствии ультрафиолета, электрических разрядов, большого количества углекислоты началось зарождение живого, которое впоследствии прошло длительный путь эволюции.

Исследуя вопрос о происхождении живого одновременно следует понять процессы, протекающие при образовании планеты. Ответ на эти вопросы дают астрономия и химия. Основным методом исследования космоса является спектроскопия. Анализ света, излучаемого звездами дает богатые сведения об их химическом составе. С конца 19 в. было зарегистрировано 2млн. спектров 15 тыс. звезд и Солнца. Вывод – всюду существуют одни и те же химические элементы и выполняются одни и те же физические законы. Формирование планеты.

Самым распространенным элементом является водород (Н-Н, Н-Не). Во вселенной образованной из водорода, как первичное вещество формируются звезды. Основной ядерной реакцией является слияние ядер водорода и образование атома гелия и выделение энергии. Эта энергия движет вселенной. По закону сохранения масс энергия выделившаяся при образовании превращается в энергию излучения. Дальнейшее взаимодействие элементов приводит к образованию других химических элементов. Эти реакции выражаются в образовании более сложных молекул и их агрегатов – пылевых частиц. Они образуют в пространстве скопления газопылевой материи. Например, гигантская туманность в созвездии Ориона. Ее диаметр 15 световых лет, количества пыли достаточно для образования 100 тыс. звезд размером с Солнце. Туманность Млечный путь имеет диаметр 100 тыс. световых лет. Туманность Ориона – ближайшая к нам, на расстоянии 1500 световых лет. Из газопылевого облака 4,5 млрд. лет назад образовалась Земля и другие планеты солнечной системы. Несмотря на общность происхождения планет, только на Земле появилась жизнь и достигла исключительного многообразия. Для возникновения жизни на Земле необходимы были космические и планетные условия. Во-первых, это оптимальные размеры планеты. Во-вторых – движение по круговой орбите обеспечивает постоянное тепло. В-третьих – постоянное излучение светила. Всем этим условиям удовлетворяла Земля, на которой около 4,5 млрд. лет назад создались условия для более высоко уровня развития материи и ее эволюции в направлении возникновения жизни.

Современные представления о возникновении жизни. Все современные представления о происхождении жизни на Земле основываются на признании абиогенного, т. е. небиологического возникновения органических веществ из неорганических молекул. Это мнение русского ученого (1924).

Химическая эволюция

На первых этапах Земля имела очень высокую температуру. По мере ее остывания тяжелые элементы перемещались к ее центру, а легкие оставались на поверхности. Металлы окислялись и свободного кислорода в атмосфере не было. Она состояла из H2, CH4, NH3, HCN и носила восстановительный характер. Это служило предпосылкой возникновения органических веществ небиологическим путем. До начала 20 века считалось, что они могут возникать только в организме. В связи с этим их назвали органическими, а вещества – минералы, неорганическими. В 1953г. было доказано, что пропуская ток через смесь газов H2, CH4, NH3, HCN при отсутствии кислорода получена смесь аминокислот. В дальнейшем абиогенным путем были получены многие органические соединения. Все они впоследствии обнаружены в космосе.

Более 4 млрд. лет назад «колбой Миллера» был весь земной шар. Извергались вулканы, стекала лава, клубился пар, сверкали молнии. По мере остывания планеты водяные пары конденсировались и ливнями в течение миллионов лет обрушивались на планету. Сформировался первичный океан, горячий и насыщенный солями, кроме того туда попадали образующиеся сахара, аминокислоты, органические кислоты. По мере смягчения климата стало возможным образование более сложных соединений, в результате чего появились первичные биополимеры – полинуклеотиды и полипиптиды.

Первичный океан содержал в растворимом виде различные органические и неорганические молекулы. Концентрация их постоянно увеличивалась и постепенно воды стали «бульоном » из питательных органических соединений. Каждая молекула имеет определенную структурную организацию: некоторые диссоциированы, некоторые имеют гидратные оболочки. Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложное строение. Молекулы, окруженные водной оболочкой объединяются образуя высокомолекулярные комплексы – коацерваты. В первичном океане коацерватные капли поглощали другие вещества либо разрушались, либо укрупнялись. В результате капли усложнялись и приспосабливались к внешним условиям. Среди коацерватов начался отбор наиболее устойчивых форм. Появились различия между химсоставом внутренней и внешней среды. В результате химической эволюции сохранились те формы, которые при распаде на дочерние не утратили особенностей структуры. Это способность к самовоспроизведению. В процессе эволюции связь нуклеиновых кислот и белковых молекул привела к возникновению генетического кода. Это последовательность нуклеотидов служила информацией для последовательности аминокислот в молекуле белка. (Воспроизведение себе подобных). Постепенно слои липидов вокруг коацерватов преобразовались в наружную мембрану. Это предопределило пути дальнейшей эволюции. Образование первичных клеточных организмов положило начало биологической эволюции.

Возникновение прокариот

Отбор коацерватов продолжался около 750 млн. лет. В результате появились безъядерные – прокариоты. По способу решения они были гетеротрофы – использовали органику первичного океана. При отсутствии кислорода атмосферы у них протекал анаэробный обмен веществ. Он малоэффективен. Постепенно запасы питания в океане истощались. Началась конкуренция за питание.

В более выгодном положении оказались организмы способные использовать солнечную энергию для синтеза органики. Так возник фотосинтез. Это привело к появлению нового источника питания. Затем фотосинтезирующие организмы научились использовать воду, как источник водорода. Усвоение углекислого газа у них сопровождалось выделением кислорода и включением углерода в органические соединения. (Сегодня прокариоты поверхности океана производят до 78% возобновляемого кислорода.)

Переход от первичной атмосферы к кислородной среде – очень важное событие. В верхних слоях образуется озоновый экран, появляется более выгодный, кислородный тип обмена веществ. На Земле стали возникать новые формы жизни с более широким использованием окружающей среды.

Возникновение эукариот

Эукариоты возникли в результате симбиоза различных прокариот. Так возникли предки примитивных ныне живущих жгутиковых простейших. Симбиоз жгутиковых с фотосинтезирующими дали водоросли или растения.

Возможности одноклеточных в освоении среды обитания были ограничены. 2,6 млрд. лет назад появились многоклеточные. Основу современных представлений о возникновении объясняет теория фагоцителлы. Многоклеточные произошли от колониальных жгутиковых. Они существуют и сейчас. Эти колонии превратились в простейший, но целостный организм.

Таким образом возникновение жизни на Земле связано с длительным процессом химической эволюции. Формирование мембраны – оболочки способствовало началу биологической эволюции. Как простейшие, так и сложно устроенные в основе своей структурной организации имеют клетку.

Контрольные вопросы

1. История представлений о возникновении жизни.

2. Работы Л. Пастера.

3. Теория вечности жизни.

4. Образование неорганических веществ и формирование планеты.

5. Теория.

6. Биологическая эволюция.

7. Возникновение первых многоклеточных.

Раздел 2 Цитология – УЧЕНИЕ О КЛЕТКЕ

Тема 2.1 Химическая организация клетки. Макро - и микроэлементы

Терминология

1. Биоэлементы – химические элементы, являющиеся основой органических молекул.

2. Макроэлементы – химические элементы, входящие в состав органических молекул в количестве, превышающем 1%.

3. Микроэлементы – химические элементы входящие в состав органических молекул в количестве, не превышающем 0,001%.

4. Гомеостаз – состояние динамического равновесия природной системы, поддерживаемое деятельностью регуляторских систем.

5. Буферные растворы – раствор органических или неорганических веществ, значение РН которых не изменяется при внесении небольших количеств щелочи или кислоты.

Простейшие микроорганизмы представляют собой отдельные клетки. Тело всех многоклеточных состоит из большего или меньшего числа клеток, которые являются блоками, образующими живой организм. Независимо от того, клетка – целостная система или часть ее, она имеет набор признаков, общих для всех клеток.

Химическая организация клеток

В состав клеток входит около 70 элементов периодической системы, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. Однако соотношение элементов, их вклад в образование элементов, составляющих организм и неживое, резко отличаются.

В зависимости от соотношения элементов в составе организма различают:

1. макроэлементы (98% массы клетки) Н2, О2, С, N.

2. микроэлементы (1,5%) S, Р, К, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Cl. Каждый из них выполняет очень важные функции в клетке.

3. прочие (0,5%) В, Zn, Сu, I2, F2CO, Se.

Все эти элементы участвуют в построении организма либо в виде ионов, либо в составе тех или иных соединений – молекул органических и неорганических соединений.

Неорганические вещества в клетке

К ним относятся вода и минеральные соли.

Вода – самое распространенное неорганическое соединение в живых организмах. Ее количество колеблется от 10% в эмали зубов до 90% в клетках зародышей. Оно зависит от возраста, времени суток, времени года.

Молекулы воды представлены диполями: в зависимости от температуры молекулы могут быть свободными или объединятся в группы с наличием водородных связей. Дипольный характер обуславливает высокую химическую активность воды. Вода играет роль среды в клетке, она приносит и уносит питательные вещества. Вода вступает в многочисленные реакции гидролиза. Обладая хорошей теплопроводностью вода регулирует температуру в клетке.

Минеральные соли - это большая часть неорганических соединений. Они находятся в виде ионов, либо недиссоциированных молекул. Большое значение имеют К+, Na+, Са+2. Они обеспечивают постоянное содержание воды, среду раствора. Буферность среды обеспечивает постоянство всех внутренних процессов в клетке.

Органические вещества в клетке

Они составляют 20-30% массы клетки. К ним относятся биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры, АТФ и т. д.

В различные типы клеток входят неодинаковое количество органических соединений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы, животных – белки и жиры. Тем не менее каждая группа органических веществ в любом типе клеток выполняет функции: обеспечение энергией, является строительным материалом , несет информацию и т. д.

Белки. Среди органических веществ клетки, белки занимают первое место по количеству и по значению. У животных на них приходится 50% сухой массы клетки.

В организме человека встречается множество типов молекул белков, отличающихся друг от друга и от белков других организмов.

Пептидная связь:

Соединяясь, молекулы образуют: дипептид, трипептид либо полипептид. Это соединение 20 и более аминокислот. Порядок преобразования аминокислот в молекуле самый разнообразный. Это позволяет существование вариантов, которые отличаются требованием и свойствами молекул белка.

Последовательность аминокислот в молекуле называется структурой.

Первичная – линейная.

Вторичная – спиральная.

Третичная – глобулы.

Четвертичная – объединение глобул (гемоглобин).

Утрата молекулой структурной организации называется денатурацией. Она вызывается изменением температуры, РН, облучением. При незначительном воздействии молекула может восстанавливать свои свойства. Это используется в медицине (антибиотики).

Функции белков в клетке разнообразны. Важнейшая – строительная. Белки участвуют в образовании всех клеточных мембран в органоидах. Исключительно важна каталитическая функция – все ферменты – это белки. Двигательную функцию обеспечивают сократимые белки. Транспортная – состоит в присоединении химических элементов и переносе их к тканям. Защитная функция обеспечивается особыми белками – антителами , образующимися в лейкоцитах. Белки служат источником энергии – при полном расщеплении 1г белка выделяется 11,6 кДж.

Углеводы. Это соединения углерода водорода и кислорода. Представлены сахарами. В клетке содержится до 5%. Наиболее богаты – растительные клетки – до 90% массы (картофель, рис). Они делятся на простые и сложные. Простые – моносахара (глюкоза) С6Н12О6, виноградный сахар, фруктоза. Дисахара – (сахароза) С]2Н22О11 свекловичный и тростниковый сахар. Полисахара (целлюлоза, крахмал) (C6H10O5)n.

Углеводы выполняют в основном строительную и энергетическую функции. При окислении 1г углевода выделяется 17,6 кДж. Крахмал и гликоген служат энергетическим запасом клетки.

Липиды. Это жиры и жироподобные вещества в клетке. Представляют собой сложные эфиры глицерина и высокомолекулярных насыщенных и ненасыщенных кислот. Могут быть твердыми и жидкими – масла. У растений содержатся в семенах, от 5-15% сухого вещества.

Основная функция – энергетическая – при расщеплении 1г жира выделяется 38,9 кДж. Жиры это запасы питательных веществ. Жиры выполняют строительную функцию, являются хорошим теплоизолятором.

Нуклеиновые кислоты. Это сложные органические соединения. Состоят из С, Н2,О2,N2, P. Содержатся в ядрах и цитоплазме.

В каждой цепи нуклеотиды соединены ковалентными связями. Цепи нуклеотидов образуют спирали. Спираль ДНК, упакованная белками образует структуру – хромосому.

б) РНК – это полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, близкие ДНК, азотистые основания – А, Г, Ц. Вместо тимина есть Урация. Углеводом РНК является рибоза, есть остаток фосфорной кислоты.

Двухцепочные РНК – носители генетической информации. Одноцепочные – переносят информацию о последовательности аминокислот в белке. Существует несколько одноцепочных РНК:

Рибосомная – 3-5 тыс. нуклеотидов;

Информационная – нуклеотидов;

Транспортная – 76-85 нуклеотидов.

Синтез белка осуществляется на рибосомах при участии всех видов РНК.

Контрольные вопросы

1. Клетка – организм или часть его?

2. Элементарный состав клеток.

3. Вода и минеральные вещества.

4. Органические вещества клетки.

6. Углеводы, жиры.

Тема 2.2 Строение и функции клетки

Терминология

1. Биологическая мембрана – бимолекулярный слой фосфолипидов с погруженными в него с разных сторон разнообразными молекулами белков.

2. Органоиды – постоянно присутствующие в цитоплазме строго специализированные структуры.

3. Цитоскелет – система микротрубочек и белковых волокон, обеспечивающая поддержание формы клеток и просторы структур по цитоплазме.

4. Митохондрии – энергетические станции клетки, на мембранах которых упорядоченно расположены ферменты энергетического обмена.

5. Пластиды – органоиды, в которых осуществляется фотосинтез.

6. Включения – непостоянно присутствующие в цитоплазме структуры, являющиеся продуктами жизнедеятельности клеток и выполняющие роль запаса питательных веществ.

Биохимические превращения неразрывно связаны с различными структурами живой клетки, которые отвечают за выполнение той или иной функции. Такие структуры получили название органоидов, так, как подобно органам целого организма, выполняют специфическую функцию. По уровню организации (степени сложности) все клетки делятся на безъядерные – прокариоты и ядерные – эукариоты. К безъядерным относят бактерии и синезеленые водоросли. К эукариотам – клетки грибов, животных и растений.

Таким образом, в современной науке выделяются два уровня клеточной организации: прокариотический и эукариотический. Прокариоты сохраняют черты глубочайшей древности: они очень просто устроены. На этом основании их выделяют в самостоятельное царство – дробянки.

Клетки эукариот содержат ограниченное оболочкой ядро, а так же сложноустроенные «энергетические станции» – митохондрии. Иными словами, все клетки ядерных организмов высоко организованы, приспособлены к потреблению кислорода и поэтому могут производить большое количество энергии.

Строение прокариот

Типичными прокариотами являются бактерии. Они живут повсюду: в воде, почве, продуктах питания. Перечень условий обитания показывает, какой высокой степенью приспособленности обладают прокариоты, несмотря на простоту их строения. Бактерии представляют собой примитивные формы жизни и можно предположить, что они возникли на самых ранних этапах развития жизни на Земле. Первоначально бактерии жили в морях. От них и произошли современные микроорганизмы. Человек познакомился с миром микробов после изготовления линзы с сильным увеличением.