Становление клетки как начало биологической эволюции

Обновлено: 05.07.2024

Возникновение и дальнейшее развитие микроскопии, многочисленные работы по изучению строения клеток позволили в \(1839\) г. двум немецким учёным М. Шлейдену и Т. Шванну сформулировать ряд положений, которые легли в основу клеточной теории.

\(1590\) г. — создан первый микроскоп (братья Янсон).
\(1665\) г. — введено понятие «клетка» (Роберт Гук )
\(1696\) г. — с помощью микроскопа обнаружены одноклеточные организмы и клетки животных (Антони Левенгук ) .
\(1831\) г. — открыто клеточное ядро (Р. Броун ).
\(1839\) г. — обнаружено ядрышко, сформулированы основные положения клеточной теории (М. Шлейден и Т. Шванн ).

В дальнейшем клеточная теория развивалась благодаря новым открытиям.

\(1859\) г. — принцип Рудольфа Вирхова: «каждая клетка — из клетки».
\(1880\) г. — Уолтер Флемминг описал хромосомы и процессы, происходящие при делении клетки (митоз).
\(1892\) г. — И. И. Мечников открыл явление фагоцитоза.

Создание клеточной теории сыграло важную роль в развитии таких биологических наук, как цитология, биохимия, генетика, эмбриология.

С \(1903\) г. стала развиваться генетика.
С \(1930\) г. стала активно развиваться электронная микроскопия, что позволило учёным детально изучить клеточные органоиды.

Клетка — наименьшая (элементарная) единица строения, функционирования и развития живых организмов, способная к самовоспроизведению.
Клетки всех живых организмов сходны по составу, строению и процессам жизнедеятельности.
Клетки образуются путём деления исходной материнской клетки.
В многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым функциям и образуют ткани, из которых состоят органы и системы органов.

Сходство строения и основных свойств клеток разных организмов доказывают их общее происхождение.

Эволюция клетки прокариот

На основании изучения ископаемых останков бактерий и цианобактерий предполагают, что изначальной клеточной формой была примитивная прокариотическая клетка, которая возникла около 3,5 млрд лет назад.

Клетки такого типа для обеспечения своего существования сначала использовали органические молекулы небиологического происхождения. Первым шагом в формировании примитивной клетки было образование мембраны, окружающей клеточное вещество.

В дальнейшем у примитивных прокариот в клетках развились механизмы синтеза и энергетического обеспечения. Предположительно, что первые прокариотические клетки имели самые простые каталитические системы, в результате чего обеспечение их энергией базировалось на брожении.

Далее у отдельных видов прокариот клетки перешли из процесса брожения на процесс дыхания, что способствовало более эффективому получению энергии.

Таким образом, эволюционные изменения прокариотических клеток шло путём развития различных путей метаболизма. При развитии их генома шло формирование «голых» молекул ДНК.

Эволюция клетки эукариот

Изменения клеток эукариот в процессе эволюции шли путём возрастания разнообразия форм, структуры и функций с одновременной компартментализацией биохимических систем и сохранением общего для всех клеток аэробного метаболизма.

Предположительно, что эукариотические клетки возникли из прокариотических менее 1 млрд. лет назад.

Для объяснения их происхождения выдвинуто четыре гипотезы.

Согласно одной из этих гипотез (гипотезы клеточного симбиоза), наиболее распространённой, предполагают, что эукариотическая клетка является симбиотической структурой, которая состоит из нескольких клеток различных типов, окружённых общей мембраной. В частности, предполагают, что пластиды в клетках современных зелёных растений берут начало от бактерий, предков современных цианобактерий, способных к аэробному фотосинтезу, а митохондрии эукариотических клеток берут начало от аэробных бактерий, которые вступали в симбиоз с примитивными анаэробными клетками, способными к фотосинтезу, что вызвало образование клеток, способных к существованию в кислородной атмосфере и к использованию кислорода путём дыхания.

Относительно ядра предполагают, что оно является рудиментом так же какого-то внутриклеточного симбионта, который потерял свою цитоплазму после включения в исходную клетку.

Этой гипотезе соответствуют и данные о временных симбиотических связях некоторых организмов.

Одноклеточная зелёная водоросль хлорелла (Chlorella) живёт в цитоплазме зелёного лишайника парамеции (Paramecium bussaria). Благодаря способности к фотосинтезу она поставляет парамеции питательные вещества.

В пластидах и митохондриях содержится собственная система генетической информации о синтезе белков в виде ДНК, тРНК, мРНК, рРНК и соответсвующих ферментов.

Для хлоропластов и митохондрий прокариот характерны схожие способы репродукции (все они одинаково размножаются путём простого деления надвое).

Согласно другой гипотезе считают, что эукариотическая клетка образовавшаяся от клетки прокариот, содержала несколько геномов, прикреплённых к клеточной мембране.

В результате впячивания клеточной мембраны внутрь цитоплазмы образовывались мезосомы, которые первоначально могли фотосинтезировать. Но в дальнейшем эти органеллы специализировались: одна утратила способность к дыханию и фотосинтезу и преобразовалась в ядро, а другие, наоборот, эти функции развивали и дали начало митохондриям и пластидам.

Подтверждением этой гипотезы является двойное строение мембран ядра, пластид и митохондрий.

Третья гипотеза базируется на информации о происхождении всех живых форм от предковых анаэробных гетеротрофов. Эукариоты являются сублинией бесстеночных (анаэробных) прокариот способных к эндоцитозу.

Благодаря «поглощению» других прокариот, давших им дополнительные метаболические способности, и, в конце концов, деградировавших в органеллы, примитивная клетка стала эукариотической клеткой.

Согласно четвёртой гипотезе припускают, что клетки эукариот возникли из клеток прокариот, содержали много распадающихся на части геномов, которые дали начало структурам с различными функциями. В дальнейшем шло клонирование структур с подобными функциями. После чего они покрывались двойными мембранами, образовались ядро, митохондрии, а позже и мембранная сеть. Есть данные и о схожести содержащегося в митохондриальной и ядерной ДНК генетического кода, а так же подобие в регуляции дыхательной функции ядра и митохондрий.

Как сказано выше, сейчас наиболее популярной является симбиотическая гипотеза происхождения эукариотических клеток. Однако, соглашаясь с этой гипотезой, нельзя не отметить, что митохондрии и хлоропласты вопреки их подобности с временными бактериями-аэробами и цианобактериями всё же имеют существенные отличия. В частности, в митохондриях и хлоропластах намного меньше ДНК, чем в клетках бактерий.

В ходе эволюции хлоропласты и митохондрии подверглись значительным изменениям в направлении своих размеров.

Далее развитие генома эукариот шло путём объединения молекул ДНК и белков. При этом формировался хроматин и хромосомы различной формы и в разном количестве. Происходила специализация хроматина: формировался эухроматин и гетерохроматин, формировались аутосомы и половые хромосомы. Пока что тяжело объяснить эволюционную тенденцию количества хромосом, поскольку в клетках многих примитивных организмов содержится большее число хромосом, чем в клетках более эволюционно развитых организмов. Однако несомненно, структурные и количественные изменения в кариотипах имели важное значение в образовании новых видов. Параллельно и усложнялись структура и функции компонентов клетки компонентов, развитие регуляторных механизмов.

Несомненно и эволюционное значение митоза. Точность распределения хромосом в процессе митоза - это условие, благодаря которому обеспечивается многоклеточность. Однако нет достаточных объяснений происхождения самого. Предположительно, что развивался он из примитивного митоза, при котором в процессе расхождения реплицировавшихся хромосом ядерная мембрана не разрушается.

Принципы биологической эволюции

Под биологической эволюцией понимают процесс исторического развития живого мира от древнейших форм жизни до современных и будущих форм. Сущность процесса эволюции проявляется в непрерывном приспособлении биологических видов к разнообразным условиям окружающей средыи в появлении все более сложно устроенных организмов.Можно коротко сказать, что биологическая эволюция направлена от простых биологических форм к сложным.

Решающий вклад в становление эволюционной концепции в биологии сделан Ч. Дарвином. Из множества явлений живой природы он сумел выделить три принципиальных фактора эволюционного развития живого, объединяемых краткой формулой: изменчивость, наследственность, естественный отбор. Эти принципы базируются на следующих выводах из наблюдений над миром живого.

1. В любой популяции всегда наблюдается изменчивость составляющих ее особей. В природе невозможно обнаружить два тождественных организма. Изменчивость является неотъемлемым свойством живого и проявляется постоянно.

2. Некоторые из этих изменений наследуются потомством.

3. Обычно рождается значительно большее число организмов, чем доживает до размножения. Причем, выживают и дают большее потомство чаще те особи, которые обладают более благоприятным для борьбы за существование сочетанием индивидуальных унаследованных качеств. Таким образом, природа осуществляет отбор признаков, способствующих приспособлению вида к изменяющимся условиям существования.

Естественный отбор, являющийся результатом борьбы за существование, – основной фактор эволюции, направляющий эволюционные изменения. Эти изменения становятся заметными после смены многих поколений.

В ходе развития биологии классическое дарвинистское эволюционное учение было значительно дополнено и уточнено. Ключевые положения этого учения получили обоснование с молекулярно-генетической точки зрения. В результате возникла современная синтетическая теория эволюции (часто используется сокращение СТЭ).

Важное понятие эволюционного учения «борьба за существование» ввел Т. Мальтус, опубликовавший в 1788 г. «Трактат о народонаселении». В нем показана перспектива ничем не сдерживаемого увеличения населения при ограниченности ресурсов. Он показал экспоненциальный характер роста численности населения при свободной реализации репродуктивного потенциала человека. И Мальтус, и Дарвин считали борьбу за существование результатом несоответствия между быстрым ростом популяций и ограниченностью ресурсов.

Современная молекулярная биология установила, что изменчивость проявляется на генетическом, молекулярном уровне в виде так называемых мутаций и происходит непредсказуемо под воздействием внутренних и внешних случайных факторов (генная инженерия привнесла в изменчивость плановое начало.) Мутационный процесс обусловливает разнообразие особей в популяции. Случайный по своей природе, он не может задавать направление эволюции. Фактором, определяющим направленность эволюции, служит естественный отбор. Без естественного отбора случайные мутации постепенно приводили бы к размытию совокупности признаков вида (фенотипа).

Эволюция – единый процесс. Но в СТЭ различают два ее уровня: микроэволюцию(на популяционно-видовом уровне) и макроэволюцию(на надвидовом уровне). Микроэволюция происходит за относительно недолгое время на ограниченных территориях. Она протекает в популяциях и завершается видообразованием. В макроэволюции же проявляются самые общие закономерности и направление исторического развития как всей совокупности живого, так и отдельных надвидовых групп. В СТЭ признано, что элементарной единицей эволюции является популяция,а не вид (как считалось в классическом эволюционном учении). Микроэволюционные изменения доступны непосредственному наблюдению.

Образование видов происходит двумя путями. Первый – разделение исходного вида на два и более новых. Второй – гибридизация, то есть объединение двух разных наборов генов (генотипов)и образование гибрида. Процессы первичного обмена генетической информацией протекают внутри популяций, поэтому в пределах популяции протекают и процессы микроэволюции. Важными факторами микроэволюции являются популяционные волны и изоляция.

Популяционные волны (или волны жизни) представляют собой колебания численности особей в популяциях под воздействием множества меняющихся условий (климатических условий, урожайности кормов и т.д.). В периоды сильного уменьшения численности популяции резко изменяется концентрация редко встречающихся мутаций и генотипов, что повышает их роль в отборе и эволюции.

Изоляция проявляется в резком ограничении скрещивания особей разных популяций. Эволюционная суть изоляции состоит в разрыве единого генофонда вида на нескольких изолированных. Она усиливает генетические различия изолированных популяций, является обязательным условием эволюционного процесса.

К макроэволюционным закономерностям относятся следующие.

Прогрессивная направленность эволюции в целом, которая проявляется в появлении организмов со все более высоким уровнем организации и большей способностью приспосабливаться. В ходе эволюции образовались организмы разного уровня сложности – от простейших одноклеточных до млекопитающих. Все эти уровни (не путать с видами!) представлены в живом мире и продолжают эволюционировать. Высший уровень сложности связан с появлением и эволюцией мыслящего живого существа – человека.

Неравномерность темпов эволюционного процесса определяется сложным сочетанием внутренних факторов и изменяющихся условий окружающей среды. Крупное, качественно новое изменение в строении и функциях (фенотипе) является мощным стимулятором эволюции, рождающим новые формы отбора. Такие изменения могут дать подавляющее преимущество в борьбе за существование и быстро привести к появлению новой группы организмов. Затем темпы эволюции этой группы могут и не оставаться столь же высокими.

Неверно было бы думать, что все ранее существовавшие виды живого (а теперь это ископаемые формы) должны вместе составлять некую единую последовательность, протянувшуюся от прошлого к настоящему. Многие виды в процессе эволюции исчезают (представляя собой тупиковые ветви эволюционного дерева). Исчезнувшие виды впоследствии никогда не восстанавливаются в прежней форме. В этом существо принципа необратимости эволюции. С молекулярно-генетической точки зрения это объясняется невозможностью повторения состава генофонда исчезнувшего вида. Вот почему важно максимальное сохранение существующих на Земле видов.Невыполнение этой задачи означает постепенную и уже невосполнимую утрату генофонда видов, возникших в ходе длительного эволюционного развития.

Эволюцию живой системы можно рассматривать как самоорганизацию в ней. Самоорганизующаяся система нелинейна: размножение само по себе обеспечило бы нелинейный рост численности. Ограниченный ресурс питания дает конкуренцию, приводящую к естественному отбору – обратной связи между мутацией и ее целесообразностью. Отбор вместе с механизмом наследственности – репликацией (схема «все или ничего») – обусловливает возникновение новых эффективных форм, то есть эволюционное совершенствование.

Эволюционная концепция в биологии успешно прошла испытание временем, воплотилась в теорию эволюции и является фундаментом всех биологических наук.

Клеточная эволюция

Прокариотические клетки появились на Земле приблизительно 3,5 млрд. лет назад в результате спонтанного образования органических молекул и продолжительной эволюции (гипотеза А.И. Опарина).

Появление ферментативных (каталитических) молекулярных механизмов стало решающим этапом в этом процессе.

В первых клетках использовались каталитические свойства белков и РНК, а в качестве вещества наследственности в них содержалась только РНК. Структура и функции клеток усложнялись, накоплялись дополнительные каталитические белки и в результате молекулу РНК заменила двухцепочная ДНК, которая сохраняла генетическую информацию.

Происхождение эукариотических клеток объясняют симбиотической гипотезой, согласно которой клеткой-хозяином был анаэроб. Переход к аэробному дыханию связан с проникновением аэробных бактерий в клетку – хозяина и сосуществование с ней в виде митохондрий.

Зелёные растения благодаря наличию в них хлоропластов способны к фотосинтезу. Считают, хлоропластам дали начало прокариотические синезелёные водоросли, которые являлись симбионтами клетки-хозяина. Основным аргументом в пользу симбиотической гипотезы является наличие в митохондриях и хлоропластах собственной ДНК.

Производными внешней мембраны клетки, способной ветвиться, является система внутриклеточных мембран, образующих гладкую и зернистую эндоплазматические сети, комплекс Гольджи, ядерную оболочку.

Достаточно сложным является вопрос о происхождении генетического материала ядра. Предполагают, что оно так же образовалось из симбиотических прокариот. Наверное, количество ядерной ДНК увеличивалось постепенно – генетический материал перемещался из геномов симбионтов в ограниченный мембраной участок клетки.

Очень важно и возникновение митоза как механизма равномерного распределения генетического материала и воспроизведения клеток. В ходе дальнейшей эволюции появился ещё один механизм деления клеток – мейоз, благодаря чему решилась проблема размножения многоклеточных организмов. Переход к половому размножению содействовал появлению комбинативной изменчивости, а при этом существенно увеличилась скорость эволюции.

Готовые работы на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

Благодаря этим процессам за 1 млрд. лет эволюции эукариотический тип клеточной организации обусловил разнообразие живых организмов от простейших к человеку.

Начальные этапы биологической эволюции

Появление примитивной клетки означало окончание предбиологической эволюции живого и начало биологической эволюции жизни.

Первыми возникшими на нашей планете одноклеточными организмами были примитивные бактерии, не обладавшие ядром, то есть прокариоты. Как уже указывалось, это были одноклеточные безъядерные организмы. Они были анаэробами, поскольку жили в бескислородной среде, и гетеротрофами, поскольку питались готовыми органическими соединениями «органического бульона», то есть веществами, синтезированными в ходе химической эволюции. Энергетический обмен у большинства прокариот происходил по типу брожения. Но постепенно «органический бульон» в результате активного потребления убывал. По мере его исчерпания некоторые организмы стали вырабатывать способы формирования макромолекул биохимическим путем, внутри самих клеток при помощи ферментов. В таких условиях конкурентоспособными оказались клетки, которые смогли получать большую часть необходимой энергии непосредственно от излучения Солнца. По этому пути и шел процесс формирования хлорофилла и фотосинтеза.

Переход живого к фотосинтезу и автотрофному типу питания явился поворотом в эволюции живого. Атмосфера Земли стала «наполняться» кислородом, который для анаэробов явился ядом. Поэтому многие одноклеточные анаэробы погибли, другие укрылись в бескислородных средах – болотах и, питаясь, выделяли не кислород, а метан. Третьи приспособились к кислороду. У них центральным механизмом обмена стало кислородное дыхание, которое позволило увеличить выход полезной энергии в 10–15 раз по сравнению с анаэробным типом обмена – брожением. Переход к фотосинтезу был длительным процессом и завершился около 1,8 млрд лет назад. С возникновением фотосинтеза в органическом веществе Земли накапливалось все больше энергии солнечного света, что ускоряло биологический круговорот веществ и эволюцию живого в целом.

В кислородной среде сформировались эукариоты, то есть одноклеточные, имеющие ядро организмы. Это были уже более совершенные организмы с фотосинтетической способностью. Их ДНК уже были сконцентрированы в хромосомы, тогда как у прокариотных клеток наследственное вещество было распределено по всей клетке. Хромосомы эукариотов были сконцентрированы в ядре клетки, а сама клетка уже воспроизводилась без существенных изменений. Таким образом, дочерняя клетка эукариот была почти точной копией материнской и имела столько же шансов на выживание, сколько и материнская.

Образование растений и животных.

Последующая эволюция эукариотов была связана с разделением на растительные и животные клетки. Такое разделение произошло в протерозое, когда Земля была заселена одноклеточными организмами[3].

С начала эволюции эукариоты развивались двойственно, то есть в них параллельно были группы с автотрофным и гетеротрофным питанием, что обеспечивало целостность и значительную автономность живого мира.

Растительные клетки эволюционировали в сторону уменьшения способности передвижения из-за развития жесткой целлюлозной оболочки, но в направлении использования фотосинтеза.

Животные клетки эволюционировали в сторону увеличения способности к передвижению, а также совершенствования способов поглощать и выделять продукты переработки пищи.

Следующим этапом развития живого стало половое размножение. Оно возникло примерно 900млн лет назад.

Дальнейший шаг в эволюции живого произошел около 700–800млн лет назад, когда появились многоклеточные организмы с дифференцированными телом, тканями и органами, выполняющими определенные функции. Это были губки, кишечнополостные, членистоногие и т.д., относящиеся к многоклеточным животным.

На протяжении всего протерозоя и в начале палеозоя растения населяют в основном моря и океаны. Это зеленые и бурые, золотистые и красные водоросли. Впоследствии в морях кембрия уже существовали многие типы животных. В дальнейшем они специализировались и совершенствовались. Среди морских животных той поры ракообразные, губки, кораллы, моллюски, трилобиты.

В конце ордовикского периода стали появляться крупные плотоядные, а также позвоночные животные.

Дальнейшая эволюция позвоночных шла в направлении челюстных рыбообразных. В девоне стали появляться уже двоякодышащие рыбы – амфибии, а затем насекомые. Постепенно развивалась нервная система как следствие совершенствования форм отражения.

Особо важным этапом в эволюции форм живого являлись выход растительных и животных организмов из воды на сушу и дальнейшее увеличение количества видов наземных растений и животных. В дальнейшем именно из них и происходят высокоорганизованные формы жизни. Выход растений на сушу начался в конце силура, а активное завоевание суши позвоночными началось в карбоне.

Переход к жизни в воздушной среде требовал от живых организмов очень многих изменений и предполагал выработку соответствующих приспособлений. Он резко увеличил темпы эволюции живого на Земле. Вершиной эволюции живого стал человек. Жизнь в воздушной среде «увеличила» массу тела организмов, в воздухе не содержатся питательные вещества, воздух иначе, чем вода, пропускает свет, звук, тепло, количество кислорода в нем выше. Ко всему этому необходимо было приспособиться. Первыми приспособившимися к условиям жизни на суше позвоночными были рептилии. Их яйца были снабжены пищей и кислородом для эмбриона, покрыты твердой скорлупой, не боялись высыхания.

Примерно 67млн лет назад преимущество в естественном отборе получили птицы и млекопитающие. Благодаря теплокровности млекопитающих они быстро завоевали господствующее положение на Земле, что связано с условиями похолодания на нашей планете. В это время именно теплокровность стала решающим фактором выживания.

Она обеспечивала постоянную высокую температуру тела и стабильность функционирования внутренних органов млекопитающих. Живорождение млекопитающих и вскармливание детенышей молоком явилось мощным фактором их эволюции, позволяющим размножаться в разнообразных условиях среды. Развитая нервная система способствовала разнообразию форм приспособления и защиты организмов. Произошло разделение хищно-копытных животных на копытных и хищников, а первые насекомоядные млекопитающие положили начало эволюции плацентарных и сумчатых организмов.

Решающим этапом эволюции жизни на нашей планете явилось появление отряда приматов. В кайнозое примерно 67–27 млн. лет назад приматы разделились на низших и человекообразных обезьян, являющихся древнейшими предками современного человека. Предпосылки появления современного человека в процессе эволюции формировались постепенно.

Сначала был стадный образ жизни. Он позволил сформировать фундамент будущего социального общения. Причем если у насекомых (пчелы, муравьи, термиты) биосоциальность вела к потере индивидуальности, то у древних предков человека, напротив, она развивала индивидуальные черты особи. Это явилось мощной движущей силой развития коллектива.

Читайте также: