Современная клеточная теория, ее основные положения

Выявление родства на основании биогенетического закона

Эта закономерность является подтверждением единства царства животных. Животные на ранних стадиях онтогенеза имеют сходства в развитии. На основании этих наблюдений Э. Геккель и Ф. Мюллер вывели основной биогенетический закон, который гласит, что онтогенез — это быстрое и краткое повторение филогенеза. Такая формулировка справедлива исключительно для ранних стадий развития.

Идею углубил русский ученый Карл Максимович Бэр. Именно он обнаружил сходство эмбрионов животных на ранних стадиях развития. Это наблюдение получило название закона зародышевого сходства. Многие наверняка видели картинку, где рыбы, саламандры, черепахи, крысы и человека. На самых ранних стадиях эмбрионы удивительно похожи. Это не может не являться свидетельством того, что все животные имеют одного единого предка и развиваются по сходному сценарию.

Нелишним здесь будет упомянуть о рудиментарных органах и атавизмах:

• Рудиментарными являются органы, которые появляются на определенной стадии онтогенеза и остаются у взрослых особей, не имея функции. Они указывают на предков, у которых они, будучи развитыми полностью, выполняли определенную функцию. Примеры рудиментов — бедренные кости кита и питона, аппендикс, копчик, зубы мудрости, третье веко, волосы на теле, мышцы движения ушей, рудиментарные глаза у подземных и пещерных животных.
• Атавизмы — изредка проявляющиеся морфологические признаки, которые встречались у предков. Примеры атавизмов: многососковость, густой волосяной покров некоторых частей тела (лицо, спина), удлиненный копчик (хвост), микроцефалия (маленький череп), икота (унаследована от амфибий). Микроцефалию и икоту также причисляют к атавизмам, но так считают не многие ученые.

5 положений современной клеточной теории

Основные положения современной клеточной теории:

1. Клетка — основная структурная единица строения, функционирования и развития всех живых организмов, способная к самовоспроизведению и саморегуляции. 
2. Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным процессам жизнедеятельности и обмену веществ. 
3. Размножение клеток происходит путем их деления, каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки.
4. В сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым ими функциям и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены нервной и гуморальной регуляциям.
5. Клеточное строение организмов — доказательство единства происхождения всего живого. 

Создание клеточной теории привело к определению клетки, как элементарной структуре живых систем с сопутствующими признакам и свойствами. С возникновением клеточной теории стали появляться гипотезы о происхождении живых тел.

Биогеографические доводы

Прежде чем рассматривать эти доказательства, нужно разобраться, что же изучает биогеография. Данная наука занимается исследованием закономерностей распространения живых организмов на планете Земля. Первые биографические сведения стали появляться еще в восемнадцатом веке нашей эры.

Биогеографические доказательства эволюции можно изучить, рассматривая зоогеографическую карту. Ученые выделили на ней шесть основных областей со значительным разнообразием обитающих на них представителей.

Несмотря на различия флоры и фауны, представители зоогеографических областей все же имеют множество сходных признаков. Или же наоборот, чем далее друг от друга находятся континенты, тем больше отличаются друг от друга их жители. Например, на территории Евразии и Северной Америки можно заметить значительно сходство фауны, ведь эти материки отделились друг от друга не так давно. А вот Австралия, которая отделилась от других континентов на много миллионов лет раньше, характеризуется весьма своеобразным животным миром.

Анатомические доказательства эволюции

Существует три главных анатомических доказательств эволюции. Сюда можно отнести:

Присутствие признаков, которые присутствовали у предков животных. Например, у некоторых китов могут развиваться задние конечности, а у лошадей — маленькие копытца. Такие признаки могут проявляться и у человека. Например, бывают случаи рождения ребенка с хвостиком, или же густым волосяным покровом на теле. Такие атавизмы можно считать доказательством связи с более древними организмами.
Наличие в растительном и животном мире переходных форм организмов. Стоит рассмотреть эвглену зеленую. У нее одновременно есть признаки и животного, и растения

Наличие так называемых переходных форм подтверждает эволюционную теорию.
Рудименты — недоразвитые органы или части тела, которые на сегодняшний день не имеют для живых организмов важного значения. Такие структуры начинают формироваться еще в зародышевом периоде, но со временем их генез прекращается, они остаются недоразвитыми

Анатомические примеры доказательства эволюции можно рассмотреть, изучая, например, китов или птиц. У первой особи есть тазовый пояс, а у второй — ненужные малые берцовые кости. Очень ярким примером считается также наличие рудиментарных глаз у слепых животных.

Функции

По анализу потомства групп предполагаемого Luca в , то LUCA , кажется, был небольшой, одноклеточный организм. Вероятно, у него была кольцевая спираль ДНК, свободно плавающая внутри клетки. Морфологически он, вероятно, не выделялся бы среди смешанной популяции мелких современных бактерий. Однако Карл Вёзе и др. , который первым предложил используемую в настоящее время трехдоменную систему на основе анализа последовательностей рибосомной РНК (рРНК) бактерий, архей и эукариот, заявил, что в своем генетическом механизме LUCA была бы «… более простой, более рудиментарной сущности, чем отдельные предки, породившие три (и их потомков) «.

Хотя общая анатомия LUCA может быть восстановлена ​​только с большой неопределенностью, ее биохимические механизмы могут быть описаны с некоторыми подробностями, основываясь на «универсальных» свойствах, которые в настоящее время присущи всем независимо живым организмам на Земле.

Его генетический код, вероятно, был основан на ДНК, поэтому он жил после мира РНК . Если ДНК присутствовала, она состояла исключительно из четырех современных нуклеотидов : дезоксиаденозина , дезоксицитидина , дезокситимидина и дезоксигуанозина . ДНК держали двухцепочечными с помощью шаблона-зависимого фермента , ДНК — полимераза , который недавно был предложен принадлежит к семейству D. целостности ДНК выгоды от группы технического обслуживания и ремонта ферментов , в том числе топоизомеразы ДНК . Если генетический код был основан на ДНК, он выражался через промежуточные соединения одноцепочечной РНК. РНК была продуцирована ДНК-зависимой РНК-полимеразой с использованием нуклеотидов, аналогичных нуклеотидам ДНК, за исключением того, что нуклеотид ДНК тимидин был заменен на уридин в РНК. У него было несколько ДНК-связывающих белков , таких как гистоновые белки.

Генетический код был выражен в белках . Они были собраны из свободных аминокислот путем перевода в виде матричной РНК с помощью механизма рибосом , переноса РНК , и группы родственных белков. Рибосомы состояли из двух субъединиц, большой 50S и маленькой 30S . Каждая рибосомная субъединица состояла из ядра рибосомной РНК, окруженной рибосомными белками . Оба типа молекул РНК (рибосомная и транспортная РНК) играют важную роль в каталитической активности рибосом. Было использовано только 20 аминокислот , только в L-изомерах , за исключением бесчисленного множества других аминокислот. АТФ служил промежуточным энергетическим звеном. Несколько сотен белковых ферментов катализируют химические реакции для извлечения энергии из жиров, сахаров и аминокислот, а также для синтеза жиров, сахаров, аминокислот и оснований нуклеиновых кислот различными химическими путями.

Клетка содержала цитоплазму на водной основе, эффективно заключенную в двухслойную липидную мембрану. Клетка имела тенденцию исключать натрий и концентрировать калий с помощью специальных переносчиков ионов (или ионных насосов). Клетка размножается путем дублирования всего ее содержимого с последующим клеточным делением . Клетка использовала хемиосмос для производства энергии. Кроме того , снижается СО ₂ и окисленного H ₂ ( Метаногенез или acetogenesis ) с помощью ацетил — тиоэфиры .

LUCA, вероятно, жил в высокотемпературных условиях, обнаруженных в глубоководных жерлах, вызванных взаимодействием океанской воды с магмой под дном океана .

Альтернативой поиску «универсальных» признаков является использование анализа генома для выявления филогенетически древних генов. Это дает представление о LUCA, который может жить в геохимически суровых условиях и похож на современных прокариот. Анализ биохимических путей предполагает такую ​​же химию, как и филогенетический анализ. Эксперименты показывают, что химические вещества пути ацетил-КоА, такие как формиат, метанол, ацетильные соединения и пируват, возникают спонтанно в присутствии воды, диоксида углерода и самородных металлов, как это происходит в гидротермальных источниках.

Расположение корня

LUCA использовала путь Вуда-Люнгдаля или восстановительный ацетил-КоА для фиксации углерода .

Наиболее общепринятое древо жизни , основанное на нескольких молекулярных исследованиях, имеет свои корни между монофилетическим доменом бактерий и кладой, образованной археями и эукариотами . Однако очень небольшое меньшинство исследований помещают корень в домен Bacteria, в тип Firmicutes , или утверждают, что тип Chloroflexi является базальным по отношению к кладе с архей и эукариотами и остальными бактериями (как было предложено Томасом Кавалье-Смитом ). .

Исследование Уильяма Ф. Мартина (2016) генетически проанализировало 6,1 миллиона кодирующих белок генов и 286 514 кластеров белков из секвенированных прокариотических геномов различных филогенетических деревьев и выявило 355 кластеров белков, которые, вероятно, были общими для LUCA. Результаты «изображают LUCA как анаэробный , CO ₂ -фиксирующий, H ₂ -зависимый путь Вуда-Люнгдаля (восстановительный путь ацетил-кофермента A ), N ₂ -фиксирующий и термофильный. Биохимия LUCA изобилует кластерами FeS и радикальной реакцией. механизмы «. В кофакторах также показывают «зависимость от переходных металлов , флавинов , S-аденозил метионин , коэнзим А , ферредоксин , molybdopterin , коррин и селена . Его генетический код , необходимым нуклеозидов модификации и S-аденозилметионин-зависимое метилирование .» Результаты «весьма специфичны»: они показывают, что метаногенные клостридии были базальной кладой в 355 исследованных линиях, и что LUCA, следовательно, могла населять анаэробные гидротермальные источники в геохимически активной среде, богатой H ₂ , CO ₂ и железо.

Эти находки могут означать, что жизнь на Земле зародилась в таких гидротермальных жерлах, но также возможно, что жизнь была ограничена такими местами в более позднее время, возможно, в результате поздней тяжелой бомбардировки . Идентификация этих генов как присутствующих в LUCA также подвергалась критике, поскольку они могут просто представлять более поздние гены, которые мигрировали посредством горизонтального переноса генов между археями и бактериями.

Биогеографические доказательства

Биогеография (от греч. био — жизнь, гео — земля,
графа — пишу) — наука о закономерностях
распространения по земному шару сообществ живых
организмов и их компонентов — видов, родов и
других таксонов. В состав биогеографии входят
зоогеография и ботаническая география. Основные
разделы биогеографии стали оформляться в конце
XVIII и в 1-й половине XIX веков, благодаря
многочисленным экспедициям. У истоков
биогеографии стояли А. Гумбольдт, А.Р. Уоллес, Ф.
Склетер, П.С. Паллас, И.Г. Борщов и др.

К данным биогеографии, являющимися
доказательствами эволюции относятся
следующие:

1. Особенности распространения животных и
растений по разным континентам (слайды 18, 19)

,
как яркое свидетельство эволюционного процесса.
А.Р. Уоллес, один из выдающихся предшественников
Ч. Дарвина, привел все сведения о распространении
животных и растений в систему и выделил шесть
зоогеографических областей (работа учащихся с
картой зоогеографических областей мира):

1) Палеоарктическую (Европа, Северная Африка,
Северная и Средняя Азия, Япония);

2) Неоарктическую (Северная Америка);

3) Эфиопскую (Африка к югу от Сахары);

4) Индомалайскую (Южная Азия, Малайский
архипелаг);

5) Неотропическую (Южная и Центральная Америка);

6) Австралийскую (Австралия, Новая Гвинея, Новая
Зеландия, Новая Каледония).

Степень сходства и различия флор и фаун между
разными биогеографическими областями
неодинакова. Так, палеоарктическая и
неоарктическая области, несмотря на отсутствие
между ними сухопутной связи, обнаруживают
значительное сходство флор и фаун. Животный и
растительный мир неоарктической и
неотропической областей, хотя между ними и
имеется сухопутный Панамский перешеек, сильно
отличаются друг от друга. Чем это можно
объяснить? Это можно объяснить тем, что некогда
Евразия и Северная Америка входили в состав
единого континента Лавразии и их органический
мир развивался совместно. Сухопутная связь между
Северной и Южной Америкой, напротив, возникла
относительно недавно, и их флоры и фауны долгое
время развивались обособленно. Особняком стоит
органический мир Австралии, которая обособилась
от Южной Азии более 100 млн. лет назад, и лишь в
ледниковый период сюда через Зондский архипелаг
перебрались немногие плацентарные — мыши и
собаки. Таким образом, чем теснее связь
континентов, тем более родственные формы там
обитают, чем древнее изоляция частей света друг
от друга, тем больше различия между их
населением.

2. Особенности фауны и флоры островов также
свидетельствуют в пользу эволюции.
Органический мир материковых островов близок к
материковому, если отделение острова произошло
недавно (Сахалин, Британия). Чем древнее остров и
чем значительнее водная преграда, тем больше
отличий в органическом мире этого острова и
близлежащего материка (Мадагаскар). Органический
мир вулканических и коралловых островов беден и
является результатом случайного занесения
некоторых видов, способных перемещаться по
воздуху.

викторина

1. Наличие хвоста на ранних стадиях эмбриологического развития человека является примером:A. Последовательность гомологииB. БиогеографияC. Активация хромосомы 2D. Рудиментарная структура

Ответ на вопрос № 1

D верно. Рудистые структуры – это черты, которые остаются от исконной формы, но впоследствии утратили функцию или имеют адаптированную функцию на протяжении эволюции.

2. Недавно был обнаружен афалины с четырьмя плавниками (два спереди и два сзади, а не только два спереди). Это пример:A. Конвергентная эволюция B. Пентадактильные конечностиC. Активация хромосомы 2D. атавизм

Ответ на вопрос № 2

D верно. Атавизмы – это появление в организме наследственных признаков, которых нет у более поздних предков. Это вытекает из сохранения генов для таких функций, которые становятся повторно активированными.

Клеточное строение организмов

Клеточное строение организмов — основа единства органического мира, доказательство родства живой природы

Как уже было отмечено ранее, бактериям, грибам, растениям и животным свойственно наличие клеток разной формы и специализации. Вирусные частицы также не могут жить без живых клеток, так как там происходят процессы их размножения, хотя сами они являются неклеточными формами жизни.

В полноценной живой клетке постоянно происходят следующие процессы:

• раздражение;
• развитие;
• рост;
• метаболизм (обмен веществ);
• гомеостаз (саморегуляция) — способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание равновесия;  
• способность к воспроизведению себе подобных. 

Наличие совокупности данных признаков отличает живые организмы от неживых тел. Кроме этого, внутри живых клеточных структур хранятся, а при размножении передаются наследственные признаки, заключенные в генах. При половом размножении наследственные признаки комбинируются, что приводит к формированию новых генетических наборов и появляются новые признаки у организмов. Таким образом происходит жизнедеятельность живых организмов.

В природе существует великое множество живых клеток, которые различаются строением, формами и специализацией, но для всех их характерно наличие:

• наследственного аппарата;
• плазматической мембраны;
• цитоплазмы.

Возникновению современных клеточных структур сопутствовал длительный эволюционный процесс, происходящий в биосфере. Он делился на:

• химическую;
• биологическую;
• биохимическую эволюции.

Образование многоклеточных форм жизни не является банальным суммированием клеток, а выступает результатом сложных эволюционных преобразований, происходящих с сохранением присущих живому признаков. Таким образом организмы приобретали новые свойства и функции. В результате менялось их строение и образ жизни. Происходящие эволюционные преобразования привели к появлению новых видов и указали на общность происхождения всего живого — единого предка.

Полноценное существование живых организмов возможно лишь тогда, когда входящие в его состав клетки будут выполнять присущие им функции. Простое сложение клеток друг с другом не приведет к созданию целостного организма, так как полноценно функционировать он не сможет. Так, было открыто единство целостного и дискретного составляющего. 

Увеличение скорости метаболизма достигается ростом количества маленьких клеток у многоклеточных тел. При нарушении функций одной клетки (ее гибель) происходит восстановление ее деятельности вследствие воспроизведения клеточных структур. Без клеток гены существовать не могут, а значит. невозможно хранить и передавать наследственную информацию. Аналогично и с энергией, которая также не сможет аккумулироваться от Солнца, если не будет растительных клеток с хлоропластами.

Благодаря разделению клеточных функций в многоклеточных телах (организмах) живые системы смогли приспосабливаться к разным условиям существования и средам обитания. В результате возникали новые систематические категории – виды, роды, классы. Таким образом, шло длительное усложнение их организационного строения. 

После установления единого плана строения клеточных структур у всего живого возникли предпосылки единого происхождения живых организмов на Земле. Данные предпосылки были доказаны многочисленными открытиями в области палеонтологии, эмбриологии и других областях биологии. Так, возникло представление не только о едином плане строения живых организмов, но и доказательство единства происхождения органического мира.

Смотри также:

• Многообразие клеток. Прокариоты и эукариоты. Сравнительная характеристика клеток растений, животных, бактерий, грибов
• Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ. Роль химических веществ в клетке и организме человека
• Клетка – генетическая единица живого. Хромосомы, их строение и функции. Число хромосом и их видовое постоянство. Соматические и половые клетки

Гипотезы

Филогенетическое дерево 1990 года, связывающее все основные группы живых организмов с LUCA (черный ствол внизу), на основе данных о последовательности рибосомной РНК.

В 1859 году Чарльз Дарвин опубликовал «Происхождение видов» , в котором дважды высказал гипотезу о том, что у всех форм жизни был только один предок. В заключение он заявляет:

«Поэтому я должен сделать вывод из аналогии, что, вероятно, все органические существа, которые когда-либо жили на этой Земле, произошли от какой-то одной изначальной формы, в которую впервые была вдохнута жизнь».

Последнее предложение начинается с повторения гипотезы:

«В этом взгляде на жизнь есть величие с ее несколькими силами, которые изначально были вдохнуты в несколько форм или в одну …»

Когда была выдвинута гипотеза LUCA, кладограммы, основанные на генетическом расстоянии между живыми клетками, показали, что археи рано отделились от остальных живых существ. Это было сделано из того факта, что известные в то время археи были очень устойчивы к экстремальным явлениям окружающей среды, таким как высокая соленость , температура или кислотность, что побудило некоторых ученых предположить, что LUCA развивалась в таких областях, как глубокие океанические жерла , где такие крайности преобладают сегодня. . Однако позднее археи были обнаружены в менее враждебной среде, и теперь считается, что они более тесно связаны с эукариотами, чем с бактериями , хотя многие детали до сих пор неизвестны.

2005 год — древо жизни, показывающее горизонтальный перенос генов между ветвями, в результате чего возникла взаимосвязанная сеть, а не дерево.

В 2010 году, основанный на «огромном множестве молекулярных последовательностей, доступных сейчас во всех сферах жизни», был опубликован формальный тест на универсальное общее происхождение. Формальный тест одобрил существование универсального общего предка перед широким классом альтернативных гипотез, которые включали горизонтальный перенос генов . Основные биохимические принципы делают весьма вероятным, что у всех организмов действительно есть один общий предок. Крайне маловероятно, что организмы, которые произошли в результате отдельных инцидентов формирования клеток, смогут завершить горизонтальный перенос генов, не искажая гены друг друга, превращая их в некодирующие сегменты . Кроме того, химически возможно гораздо больше аминокислот, чем 22, содержащихся в белковых молекулах. Эти линии химических доказательств, включенные в формальный статистический тест, указывают на то, что одна клетка была LUCA. Хотя тест в подавляющем большинстве подтвердил существование одного LUCA, это не означает, что LUCA когда-либо был один: напротив, это был один из многих ранних микробов, но единственный, чьи потомки выжили после палеоархейской эры .

С более поздним генофондом потомков LUCA, с их общей структурой правила AT / GC и стандартными двадцатью аминокислотами, горизонтальный перенос генов был бы осуществим и мог быть очень распространенным.

В более ранней гипотезе Карл Вёзе (1988) предположил, что:

1. ни один отдельный организм не может считаться LUCA, и
2. генетическое наследие всех современных организмов, полученное в результате горизонтальной передачи генов между древним сообществом организмов.

В то время как результаты Theobald (2010) и Saey (2010) продемонстрировали существование единственного LUCA, аргумент Везе все еще может быть применен к Ur-организмам (исходным продуктам абиогенеза) до LUCA. В начале жизни родословная не была такой линейной, как сегодня, потому что генетический код не эволюционировал. До высокоточной репликации организмы не могли быть легко отображены на филогенетическом дереве. Однако LUCA жил после возникновения генетического кода и, по крайней мере, какой-то рудиментарной ранней формы молекулярной корректуры.

Есть свидетельства того, что и археи, и бактерии сократили свои геномы в процессе эволюции, предполагая, что LUCA могла быть более сложной, чем некоторые современные прокариоты; Байесовские филогенетические сравнения подразумевают, что фенотип LUCA действительно был сложным.

В редких случаях синтения (сцепление) генов была идентифицирована до LUCA, как и в случае с генами F-АТФазы .

Вирусы

Основываясь на существующем распределении вирусов по двум основным областям жизни, бактериям и архее , было высказано предположение, что LUCA была связана с удивительно сложным виромом, который уже включал основные группы существующих вирусов бактерий и архей, и что обширная эволюция вирусов предшествовала или предшествовала LUCA. В этом предковом вироме, вероятно, доминировали вирусы дцДНК из областей Duplodnaviria и Varidnaviria . Кроме того, две группы вирусов одноцепочечной ДНК (область Monodnaviria ), а именно Microviridae и Tubulavirales , можно проследить до последнего бактериального общего предка (LBCA), тогда как веретенообразных вирусов , наиболее вероятно , инфицированных последнего архейных общего предка (Laca) . Нельзя исключать возможность того, что эти вирусные группы присутствовали в вироме LUCA, но впоследствии были потеряны в одном из двух основных доменов. Напротив, РНК-вирусы, по-видимому, не были заметной частью вирома LUCA, хотя простое мышление могло предполагать виром LUCA как домен РНК-вирусов, происходящих из первичного мира РНК. Вместо этого, ко времени существования LUCA, РНК-вирусы, вероятно, уже были в значительной степени вытеснены более эффективной ДНК-виросферой.

Физиология и биохимия

Исследования физиологов и биохимиков подтверждают, что одни и те же группы химически компонентов представлены в составе тел абсолютно разных живых существ. Все физиологические биохимические процессы у разных групп живых организмов протекают сходно вне зависимости от того как далеко они отстоят друг от друга в генеалогическом родстве.

Первооткрывателем процессов метаболизма был английский ученый — Артур Хэрдэн.

Он получил энзимную вытяжку из дрожжевых клеток и отметил, что она разлагает сахара и выделяет углекислый газ. Процесс со временем замедлялся. Хэрдэн предполагал, что это связано с расходом энзима. В ходе эксперимента выяснилось, что происходит накопление промежуточных продуктов метаболизма. Он добавил фосфат натрия, и процесс возобновился, при этом в составе появился органический фосфат.

Далее биохимия развивалась взрывными темпами. Различные опыты подтверждали, что у разных представителей живых существ одни и те же процессы протекают одинаково. Это показательно в исследованиях английского биохимика Х. А. Кребса . Он открыл основные этапы разложения молочной кислоты до углекислого газа и воды. Этот каскад реакций одинаков у разных видов животных. Его называют циклом Кребса.