Становление клеточной организации в эволюции жизни

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Курский государственный  университет»

 

 

 

 

Кафедра биологии растений и животных

 

 

 

Курсовая работа

 

СТАНОВЛЕНИЕ КЛЕТОЧНОЙ  ОРГАНИЗАЦИИ 

В ЭВОЛЮЦИИ ЖИЗНИ 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

Студентка ЕГФ

4 курса специальность « Биология  »

Куфтина М. П.

 

Проверил:

доц. Лыкова Н. И.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курск 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………….....3

1. Происхождение жизни
0.     1.1.Теория панспермии……………………………………………………..5
0.     1.2.Теория биохимической эволюции……………………………………10
0. 2.  От молекул – к первой клетке
0.      2.1. Возникновение самореплицирующихся молекул………………….12
0.      2.2. Образование мембраны………………………………………………20
0.      2.3. Эволюция обмена веществ в бактериях…………………………….21
3. Образование эукариот
1. Предпосылки к образованию эукариотической клетки…………24
2. Гипотезы возникновения эукариотической клетки……………..26

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Проблема происхождения жизни приобрела сейчас неодолимое очарование для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание ученых разных стран и специальностей, но интересует вообще всех людей мира. Сейчас считается общепризнанным, что возникновение жизни на Земле представляло собой закономерный процесс, вполне поддающийся научному исследованию. В основе этого процесса лежала эволюция соединений углерода, которая происходила во Вселенной задолго до возникновения нашей Солнечной системы и лишь продолжалась во время образования планеты Земля – при формировании ее коры, гидросферы и атмосферы.

 С момента возникновения  жизни природа находится в  непрерывном развитии. Процесс эволюции  длится уже сотни миллионов  лет, и его результатом является  то разнообразие форм живого, которое во многом до конца еще не описано и не классифицировано.

Вопрос о происхождении  жизни труден в исследовании, потому, что, когда наука подходит к проблемам  развития как создания качественно  нового, она оказывается у предела  своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.

Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс  возникновения жизни с такой  же точностью, как это было несколько  миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность – в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни.

Живым организмам присущи  определенные свойства. Часто эти свойства в той или иной степени характерны и для неживой природы, что подчеркивает единство эволюционных процессов. Однако проявление этих свойств и их совокупность не схожи у живых и неживых объектов. Именно это – совокупность и характер проявления – как раз и определяет сущность жизни.

Элементарной единицей живых систем является клетка. Все живые существа состоят из клеток – маленьких, окруженных мембраной полостей, заполненных концентрированным водным раствором химических веществ. Эволюционная теория является центральным принципом биологии, позволяющим нам осмыслить ошеломляющее разнообразие живого мира.

Целью данной работы является провести обзор литературы для изучения становления клеточной организации.

Задачей является выяснение  процессов, способствующих возникновению живых организмов и образованию эукариотических клеток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Существуют две главные теории, по-разному объясняющие появление жизни на Земле.

1.1. Теория панспермии.

Панспермия ( др. греч. Pan – «все» и Sperma – «семя») – теория о появлении жизни на Земле в результате занесения из космического пространства так называемых «зародышей жизни». 

Согласно теории панспермии, жизнь занесена из космоса либо в виде спор микроорганизмов, либо путем намеренного «заселения» планеты разумными пришельцами из других миров.

Рис. 1. Панспермия

Двенадцатикилограммовый метеорит Оргэй (Orgueil) упал в мае 1864 г. близ одноименной французской деревни, расколовшись на 20 кусочков. Вещество метеорита можно было спокойно разрезать ножом, поточить как карандаш и рисовать: это был обычный углистый метеорит с очень высоким (почти как в грифеле карандаша) содержанием углерода.

Химический анализ показал, что метеорит состоит из горючего углеродистого материала, включающего соли аммония, магнетит и кремниевую кислоту. В целом минеральный состав метеорита напоминал глины и вулканический пепел, но в земном пепле гораздо меньше магния и больше кремния, алюминия и кальция. Содержание углерода было таким высоким, что химики заподозрили биологическое происхождение метеоритного материала. В абиогенных земных породах такого количества углерода не бывает. Если метеорит образовался при участии микроорганизмов, то и земная жизнь вполне могла быть порождением космических сил.

В то время, в 1864 г., споры о происхождении жизни были в самом разгаре. Несколькими годами раньше Луи Пастер доказал невозможность самозарождения живых существ. Четкая логика опытов и авторитет Пастера (который сам был убежденным креационистом) убедили многих ученых в божественном – и, конечно, земном, а не космическом – происхождении  жизни.

Поэтому когда Пастеру  принесли для изучения кусочек метеорита  Оргэй, он был заранее уверен в  отрицательном результате. Тем не менее он тщательно подготовил опыты: стерильными инструментами выкрошил из середины обломка метеоритный материал, посадил на питательную среду и попробовал вырастить космических микробов. Естественно, ничего не выросло. Заключение, сделанное великим ученым, гласило, что ничего живого в метеорите Оргэй нет, так что вся ответственность за жизнь на Земле лежит на Всевышнем.

Спустя столетие изучение метеорита Оргэй возобновилось. К этому времени в руках  землян оказалось немало и других метеоритов с высоким содержанием  углерода. В 1961 г. американские ученые объявили о новых результатах анализа  старого знакомца Оргэй и других углистых метеоритов (Ивуна, Тонк, Алаис). В метеоритном веществе обнаружилось множество разнообразных органических соединений: алифатические и ароматические углеводороды, аминокислоты, жирные кислоты и липиды, азотистые основания обоих основных типов (пуриновые и пиримидиновые), порфирины и другие.

Многие из этих веществ  заметно отличались от земных. Так, аминокислоты были преимущественно  низкомолекулярными, некоторые из них  не имели земных аналогов. Состав порфиринов тоже свидетельствовал о неземном происхождении метеоритной органики.

Но еще важнее было заключение, что набор метеоритных  органических молекул вполне мог  складывать некие живые существа. Остатки этих существ были также представлены учеными. Найденные в метеоритах Оргэй и Ивуна образования по форме и размерам напоминали земные микроорганизмы. Это были трубочки с пережимами, похожие на цепочки клеток, грибовидные тела, сферы с выростами, обрывки оболочек.

Ученые все же не решились объявить эти структуры клетками, дав им осторожное название «организованные элементы». В 60-е годы 20 века в научных журналах то и дело появлялись сообщения о находках новых «организованных элементов». Некоторые специалисты занялись даже их систематикой. Иными словами, после обнаружения «организованных элементов» и химических свидетельств внеземного происхождения метеоритной органики смелая мысль уносила ученых далеко за пределы строгой науки. Наука же требовала методической точности и разнообразия гипотез.

Скептиков, в числе  которых был и Нобелевский  лауреат Х. Урей, не убедили приведенные  доводы. Они продолжали утверждать, что метеоритная органика – не более чем загрязнения, набранные  космическим объектом на пути от верхних  слоев атмосферы до научной лаборатории. И вправду, обнаружилось, что оптический состав аминокислот напоминает земной – преобладают левозакрученные молекулы, а большая часть органики приурочена к поверхностным слоям метеоритов.

«Организованные элементы» тоже не произвели большого впечатления на скептически настроенных ученых. Обнаружилось, что неорганические кристаллы могут вполне успешно маскироваться под микроорганизмы, будь то кокки, бациллы или более сложные формы. В итоге в 70-е годы панспермия полностью вышла из моды, а термин «астробиология» стал почти ругательным.      

Однако уже в следующем  десятилетии, в конце 80-х, изучение углистых метеоритов возобновилось. Активное участие  в исследованиях принимают российские ученые под руководством члена-корреспондента РАН, палеонтолога А.Ю.Розанова.

В метеоритах Мурчисон и  Ефремовка найден целый комплекс удивительных образований: различные  нити с пережимами, сферы, ленты, ажурные  плетения. Микробиологи легко подбирают  аналогичные им по форме земные бактерии, современные и ископаемые.  Все эти образования микронных размеров, как и большинство бактерий. Образования нанометровых размерностей, не имеющие известных земных аналогов, обнаружены в метеорите Мигей. Это четко ограниченные войлокоподобные слои нитей, в которых запутаны отдельные глобулы, соединенные иногда в цепочки. Сейчас стали известны и земные нанобактерии, но наши знания об их разнообразии еще слишком фрагментарны, так что об их сравнении с метеоритными говорить рано.

В современных лабораториях легко отличить земные загрязнения от  метиоритного материала. Химические микроанализаторы мгновенно  предоставляют отчет об элементном составе подозрительного объекта. Если состав отличается от матрикса метеорита, это загрязнение. Если нет – приходится признать в подозреваемом подлинного пришельца из космоса. Гораздо труднее отличить фоссилизированные остатки микроорганизмов от схожих образований неорганического происхождения. Приходится признать, что наши знания о микрокристаллах и тем более нанокристаллах пока недостаточны. Поэтому  вопрос о бактериях в метеоритах остается открытым. Есть, однако, немало оптимистов (как среди российских палеонтологов, так и среди американских сотрудников NASA), которые уже сейчас убеждены в биологической природе «организованных элементов» и даже пытаются по этим остаткам реконструировать внеземные микробные сообщества. По их мнению, эти сообщества были подобны земным циано-бактериальным матам, а развиваться они могли на различных небесных телах: Марсе, гипотетическом Фаэтоне и даже в ядрах комет (Е. Наймарк).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Теория биохимической эволюции.

Теория биохимической  эволюции отражает современные представления  о происхождении жизни на Земле  и основывается на работах А. И. Опарина (1924) и Дж. Холдейна (1929). Эти представления заключаются в признании абиогенного, т.е. небиологического, возникновения органических веществ из химических элементов и неорганических молекул, составлявших атмосферу Земли в древности, путем длительной молекулярной эволюции.

Основу этой теории составляет идея о том, что миллиарды лет назад при формировании планеты первыми органическими веществами были углеводороды, которые образовались в океане из более простых соединений.

Соединения углеводорода с азотом и простейших молекул  аммиака, воды, метана и водорода с рядом других химических элементов образовывали сложные органические вещества. Энергию для осуществления этих процессов создавали разряды и интенсивная солнечная радиация, выделявшая большое количество ультрафиолетового излучения, падавшего на Землю до того, как образовался озоновый слой.

Органические вещества, постепенно накапливаясь в океане, создавали прочные молекулярные связи, которые были устойчивы к  разрушающему действию ультрафиолетового  излучения.

Позднее теория биохимической эволюции получила развитие в трудах английского ученого Дж. Холдейна, который сформулировал гипотезу о том, что жизнь явилась результатом длительных эволюционных углеродных соединений. Вещества, близкие по своему химическому составу к белкам и другим органическим соединениям, составляющие основу живых организмов, возникли на основе углеводородов.

Белковые соединения в «первичном бульоне» притягивали  и связывали молекулы жиров и  воды, что позволяло жирам обволакивать поверхность белковых тел, структура  которых напоминала мембрану клеток. Полученные в результате такого взаимодействия тела Опарин назвал коацерватами (коацерватными каплями), а сам процесс – коацервацией.

В дальнейшем, поглощая из окружающей среды белковые вещества, структура коацерватов усложнялась, и они стали похожи на примитивные, но уже живые клетки, а химические соединения внутреннего состава позволяли им расти, видоизменяться, осуществлять обмен веществ и размножаться.

Теория биохимической эволюции, важным этапом которой явилось формирование мембранной структуры, предполагала, что с появлением мембраны ускорился процесс упорядочения и усовершенствования метаболизма, а дальнейшее усложнение обмена веществ происходило с помощью катализаторов.