Инструктивная карточка по теме «Начальные этапы биологической эволюции»

I блок – задания для изучения новой информации

Текст: По палеонтологическим данным, основанным на изучении древнейших горных пород Земли, первые живые организмы появились на Земле около 3,5 млрд. лет т.н.

По существу, первая живая клетка, так же, как и ее неживой прообраз — коацерватная капля, была капелькой первичного океана, окруженной водоотталкивающей оболочкой, однако белки и нуклеиновые кислоты в ней не были случайным набором органических веществ. Они уже научились «понимать» друг друга, научились взаимодействовать.

Первые живые клетки уже обладали важнейшим свойством каждого живого организма — способностью к точному самовоспроизведению, самокопированию.

Питались они готовыми органическими веществами, которые образовались на ранних этапах формирования Земли абиогенным путем. По мнению большинства ученых, в период появления первых живых организмов свободного О2 в атмосфере древней Земли еще не было, поэтому у них был анаэробный (бескислородный) тип дыхания. Таким образом, первыми живыми организмами на Земле были, по-видимому, гетеротрофные (питающиеся готовыми органическими веществами) бактерии- анаэробы (рис. 1).

Рис. 1. Симбиотическая гипотеза происхождения эукариот

Бактерии-анаэробы древней Земли питались готовыми органическими веществами, образовавшимися в больших количествах на ранних этапах формирования Земли. Абиогенному синтезу органических веществ способствовали высокая температура атмосферы и бурная вулканическая деятельность. К моменту появления первых живых организмов Земля остыла, и интенсивность абиогенного синтеза органических веществ значительно снизилась. Развитие анаэробов должно было неизбежно истощить запасы органических веществ, что, в свою очередь, привело бы к гибели всех живых организмов. Возможно, история развития жизни на Земле на этом и закончилась бы, если бы спустя всего 100 млн. лет (3,4 млрд. лет тому назад) под влиянием жесткой конкуренции за органические вещества на Земле не появилось новое поколение живых организмов - фото синтезирующие бактерии (см. рис. 1).

Уникальной особенностью этих живых существ была способность осуществлять фотосинтез, т.е. синтезировать органические вещества из неорганических с использованием энергии солнечного света. У первых фотосинтезирующих бактерий был необычный аноксигенный тип фотосинтеза (он протекает без выделения кислорода).

Строительными элементами, из которых фотосинтезирующие организмы создают органические вещества, являются СО2 и Н2. Первые фотосинтезирующие бактерии отнимали Н не от воды, а от сероводорода (H₂S), поскольку затраты энергии на отрыв атомов Н от молекулы H₂S в 7 раз меньше, чем на отрыв его от молекулы воды.

Фотосинтез с выделением кислорода появился позднее у цианобактерий (сине-зеленых водорослей). Они впервые осуществили фотолиз воды, при котором с помощью энергии солнечного света Н, необходимый для биосинтеза органических веществ, отрывается от молекулы Н2О, а в качестве побочного продукта образуется свободный О2.

Накопление в атмосфере свободного О2 привело к преобразованию условий жизни на Земле. К моменту появления первых живых организмов Земля сильно остывает, снижается количество грозовых разрядов в атмосфере, затухает вулканическая деятельность. Практически единственным источником энергии для абиогенного синтеза органических веществ является ультрафиолетовое излучение Солнца.

С появлением О2 в верхних слоях атмосферы, на высоте 15-30 км, сформировался озоновый экран, защитивший живые организмы от губительного действия ультрафиолетового излучения, что послужило предпосылкой возникновения жизни не только в воде, но и на суше. Одновременно озоновый экран, снизив интенсивность падающего на Землю ультрафиолетового излучения, практически остановил абиогенный синтез органических веществ, вследствие чего дальнейшее существование жизни на Земле стало полностью зависеть от деятельности фотосинтезирующих организмов.

Фотосинтезирующие бактерии и в настоящее время широко распространенная и процветающая группа живых организмов. «Цветение» воды в конце лета обусловлено главным образом бурным развитием цианобактерий. Они способны не только к автотрофному питанию путем фотосинтеза, но и к гетеротрофному питанию готовыми органическими веществами.

Как отмечалось ранее, главный продукт фотосинтеза — богатые энергией органические вещества, которые используются живыми организмами, для построения своего тела, получения необходимой для их жизнедеятельности энергии, О2 же является побочным продуктом фотосинтеза. Вслед за фотосинтезирующими бактериями на Земле появились живые организмы, которые научились использовать его — дышать кислородом. Это были бактерии-аэробы (или бактерии-окислители).

Симбиотическая гипотеза происхождения эукариот:

На ранних этапах биологической эволюции на Земле последовательно возникают, а затем сосуществуют 3 поколения прокариот: бактерии-анаэробы, фотосинтезирующие бактерии и бактерии- аэробы (см. рис. 1).

Фотосинтезирующие бактерии могли создавать органические вещества из неорганических, а бактерии-аэробы умели очень экономно их расходовать. Лишенные этих преимуществ бактерии-анаэробы вынуждены были эксплуатировать полезные свойства других живых организмов. Один из способов одностороннего использования одного организма другим — хищничество. На определенном этапе развития от бактерий-анаэробов произошли хищные амебовидные организмы, способные захватывать с помощью ложноножек и поглотать как фотосинтезирующих бактерий, так и бактерий-аэробов.

Однако не все амебовидные хищники переваривали захваченные бактерии, в некоторых случаях бактерии могли жить и размножаться внутри цитоплазмы хищника. Возникшее таким образом сообщество живых организмов обладало многими ценными свойствами: способностью к фотосинтезу, обусловленной деятельностью фотосинтезирующих бактерий, способностью к экономному и эффективному использованию органических веществ благодаря кислородному типу дыхания, характерному для бактерий-аэробов, и, наконец, способностью к активному передвижению и захвату добычи, свойственному хищной клетке-носителю. Со временем взаимовыгодные, симбиотические отношения этих трех групп организмов закрепились, стали устойчивыми: фотосинтезирующие бактерии превратились в хлоропласты, а аэробные бактерии-окислители - в энергетические станции клетки — митохондрии. Как митохондрии, так и хлоропласты и в настоящее время сохраняют собственный наследственный аппарат, размножаются независимо отделения клетки и наследуются через цитоплазму по материнской линии.

Для управления сложным сообществом живых организмов и защиты собственного генетического материала у клетки-носителя возникает ядро. Наследственная информация в ядрах эукариотических клеток хранится в виде особых структур — хромосом, отчетливо видных под световым микроскопом в момент деления клетки. Первые эукариотические клетки появились на Земле около 2 млрд. лет тому назад.

Более древние по происхождению бактерии не имеют оформленного ядра. Все бактерии — прокариоты. Наследственная информация представлена в них одной кольцевой молекулой ДНК, лежащей непосредственно в цитоплазме и не различимой в обычный световой микроскоп.

Первые эукариотические клетки, по-видимому, представляли собой амебовидные существа, многие из которых содержали как митохондрии, так и хлоропласты.

Около 1,5 млрд лет т.н. от них возникают более совершенные эукариотические организмы, способные к быстрому активному передвижению — древние жгутиковые (см. рис. 1). Принято считать, что жгутики, так же как в свое время митохондрии и хлоропласты, произошли от каких-то древних свободноживущих прокариот.

Древние жгутиковые, видимо, сочетали свойства растений и животных. Со временем те из них, которые оказались в среде с высоким содержанием органических веществ, утратили хлоропласты и превратились в одноклеточных животных — простейших, а сохранившие хлоропласты дали начало растениям. Естественно, наиболее древние по происхождению растения — одноклеточные, подвижные и имеют жгутики.

Дальнейший эволюционный прогресс животных связан с возрастанием роли активного передвижения, что вызвано необходимостью поиска пищи и захвата добычи. Совершенствуется и система управления движением, что, в конечном итоге, приводит к возникновению высокоорганизованной нервной системы и, наконец, интеллекта.

В то же время растения, обеспечивающие себя питанием за счет фотосинтеза, в процессе эволюции утрачивают способность к передвижению и приобретают множество приспособлений, повышающих эффективность фотосинтеза.

Таким образом, около 1,5 млрд лет т.н. от единого предка — древнего жгутикового возникают два важнейших царства живых организмов — царство растения и царство животные.

Задания для работы с текстом:

1. Выясните:

• Где и когда возникли первые клетки?

• Какими свойствами они обладали?

• Их способ питания?

• Тип дыхания?

• Сделайте вывод, кем были первые живые организмы.

• Условия для осуществления абиогенного синтеза.

• Где и когда возникли фотосинтезирующие бактерии.

• Особенности жизнедеятельности первых фотосинтезирующих организмов.

• Что такое «аноксигенный тип фотосинтеза»?

• Кто впервые осуществил процесс фотолиза воды?

• К каким преобразованиям условий жизни на Земле привело появление в атмосфере кислорода?

• Что послужило предпосылкой возникновения жизни на суше?

• Каким образом бактерии-анаэробы вынуждены были эксплуатировать полезные свойства других живых организмов?

• От кого произошли первые хищные амебовидные организмы?

• Как в клетке возникли митохондрии и хлоропласты?

• Для чего возникает специальная клеточная органелла – ядро?

• Как и когда возникли древние жгутиковые?

• Как и когда возникли царства живых организмов?

2. Каждому термину, указанному в левой колонке, подберите соответствующее ему определение, приведённое в правой колонке.

3. Расположи названные структуры и процессы в последовательности их появления в ходе эволюции:

а) фотосинтез;

б) прокариоты;

в) дыхание;

г) хемосинтез;

д) абиогенный синтез мономеров;

е) эукариоты;

ж) образование наружной мембраны;

з) самовоспроизведение молекул;

и) брожение.