Стабилизиращата форма на естествения подбор запазва чертите. Естественият подбор е движещият фактор на еволюцията. Видове естествен подбор. Избор на средни стойности

В книгата „Произходът на живота” за първи път (1924 г.) той формулира научната концепция за произхода на живота, в резултат на биохимична еволюция на материята, като по този начин той се разви материалистическа теорияпоявата на живот.

Според тази теория, по време на дълга химическа еволюция на повърхността на първичната без кислородна Земя, абиогенно образувани органична материяи биополимери. В океаните се натрупват органични вещества и се образува „първоначална супа“, в която може да възникне живот.

Първоначалният океан постепенно се насища с протеини, въглехидрати и липиди, както и нуклеинови киселини. В разреден водни разтворисвързаните молекули се комбинират и образуват бучки. Тези съсиреци бяха отворени, т.е. имали способността да обменят вещества и енергия с околната среда. Опаринът на тези съсиреци, наречен " коацерватни капки."

Коацервацията се проявява особено активно при условия на пространствена комплементарност ( взаимно допълване) повърхности на взаимодействащи молекули. Коацерватите са малки сферични колоидни частици с осмотични свойства. Коацерватите имат редица свойства, които ги доближават до най-простите живи системи. Например, те абсорбират малки органични вещества от заобикаляща среда. Благодарение на тях коацерватите могат да се увеличат по размер. В коацерватите могат да възникнат процеси на освобождаване на продукти от разпадане, т.е. имаше свойството на метаболизъм. Оригиналните коацервати подреждат водни молекули около себе си и по този начин създават интерфейс. След това, по време на еволюцията, около себе си се създават коацервати биологични мембраниот протеини и липиди. Опарин смята, че решаваща роляКатериците изиграха роля в трансформирането на неживи същества в живи същества.

Английският биолог и генетик J. S. Haldane през 1929 г., развивайки теорията на Опарин, стига до извода, че „коацерватните капки“ съдържат рибонуклеинови киселини(РНК). Той предположи, че животът е започнал с появата на самовъзпроизвеждащи се молекули - РНК, тогава се появиха катерици. РНК, по всяка вероятност, се е образувала абиогенно в условията на първобитната Земя. Следователно теорията за произхода на живота се нарича теория на Опарин-Халдейн. Според тази теория коацерватите имат свойството на метаболизъм и самовъзпроизвеждане чрез делене. Това се е случило преди около 4 милиарда години в водни среди. Така възникват най-простите живи системи, които се наричат протобионти(protos - прост и bios - живот) .

Въпроси за самоконтрол

2. Кой първи формулира научната концепция за произхода на живота?

3. В какви разтвори свързаните молекули се комбинират и образуват групи?

4. Каква способност имаха биополимерните бучки?

5. Кой, съсиреци от биополимери, наречени „ коацерватни капки"?

6. Какво представляват коацерватите?

7. Какви свойства притежават коацерватите?

8. Какви са биологичните мембрани, около които се изграждат коацерватите?

9. Кой и кога стигна до заключението, че съдържа коацервати рибонуклеинова киселина (РНК)?

10. Каква теория се нарича теория на Опарин-Халдейн?

11. Как се наричат ​​най-простите живи системи?

12. Какво означава протобионт?

13. Кога и къде са възникнали протобионтите?

Има различни гледни точки по проблема за произхода на живота на Земята. Например, според Вернадски, тя се появява едновременно с образуването на Земята. Рихтер вярва, че животът е донесен от космоса (концепцията за панспермия). В момента хипотезата, формулирана от съветския учен акад. А. И. Опарин и английският учен Дж. Халдейн. Тя се основава на предположението за постепенното възникване на живота на Земята от неорганични вещества чрез дългосрочна абиогенна (небиологична) молекулярна еволюция. Възгледите на тези учени представляват обобщение на доказателства за появата на живот на Земята в резултат на естествен процес на преход от химическата форма на движение на материята към биологичната форма (Образуване на прости органични съединения.) За да обоснове това, те разглеждат условията, които са съществували на планетата преди няколко милиарда години: начални етапиВ своята история Земята е била гореща планета. Поради въртене с постепенно намаляване на t, атомите тежки елементисе премести в центъра и атомите на леките елементи (водород, въглерод, кислород, азот) бяха концентрирани на повърхността.С по-нататъшното охлаждане на планетата се появиха химични съединения: метан, въглероден диоксид, амоняк, циановодород, кислород, азот, и т.н. Phys. и химически Свещените свойства на водата и въглерода им позволиха да се появят и да се озоват в люлката на живота. В тези начални етапи се формира първична атмосфера, която има редукционен характер, след което на нейно място се образува втора атмосфера, състояща се от най-химически активните газове. По-нататъшното понижаване на температурата предизвика прехода на редица газообразни съединения в течни и твърди състояния, т.е. образование земната кора. В резултат на активна вулканична дейност много гореща маса, съдържаща въглерод, беше изнесена на повърхността от вътрешните слоеве на Земята. Той навлиза в океана и образува въглеводородни съединения. Така най-простите органични съединения се натрупват на повърхността и в крайна сметка под въздействието на синтеза, енергията на Слънцето, те образуват първичен бульон, в който може да възникне живот.

Произход на живота. Теория за панспермията. Теорията за вечността на живота.

Има няколко хипотези, които обясняват появата на живота на Земята по различни начини: 1. Креационизъм – божественото създаване на живите същества; 2. концепцията за многократно спонтанно генериране на живот от нежива материя (негов поддръжник беше Аристотел, който вярваше, че живите същества могат да възникнат и в резултат на разлагането на почвата); 3. концепцията за произхода на живота в резултат на процеси, подложени на физически и хим. закони; 4. понятие стабилно състояние, според която животът е съществително. завинаги; 5. концепцията за панспермия - извънземен произход на живота. Специално мястов естествените науки се дава на последните две. Според хипотеза за панспермия , животът е донесен от космоса или под формата на микробни спори, или чрез умишленото „населване“ на планетата от интелигентни извънземни от други светове. Няма преки доказателства в подкрепа на това. А самата теория за панспермията не предлага никакъв механизъм за обяснение на първичното. произхода на живота и пренася проблема на друго място във Вселената. Либихвярваше, че атмосферата небесни тела, както и въртящите се космически мъглявини могат да се разглеждат като вечни хранилища на оживена форма, като вечни насаждения от органична материя. ембриони, откъдето животът се разпръсква под формата на тези ембриони из цялата Вселена. През 1865 г. немски лекар Ж. Рихтеризложи хипотезата за космозоите (космическите рудименти), според която животът е вечен и рудиментите, обитаващи космическото пространство, могат да се прехвърлят от една планета на друга. Неговата хипотеза беше подкрепена от много видни учени. По подобен начин са мислили Келвин, Хелмхолц и др.. В началото на нашия век Арениус стига до идеята за радиопанспермията. Той описва как частици материя, прашинки и живи спори на микроорганизми излизат в космоса от планети, обитавани от други същества. Те поддържат жизнеспособността си, като летят в пространството на Вселената благодарение на светлинния натиск. Веднъж попаднали на планета с подходящи условия за живот, на нея започват тези спорове нов живот. За доказване на панспермията обикновено се използват скални рисунки, наподобяващи живи организми или НЛО. Поддръжници теории за вечността на живота (de Chardin et al.) вярват, че на вечно съществуващата Земя някои видове са били принудени да изчезнат или драстично да променят броя си на определени места на планетата поради промени във външните условия. Ясна концепция по този път не е разработена, тъй като има някои пропуски и неясноти във вкаменелостите на Земята. Според Шарден в момента на създаването на Вселената Бог се е слял с материята и й е дал вектор на развитие. Че. виждаме, че тази концепция взаимодейства тясно с креационизма.

Интересът към въпроса как е възникнал животът в далечното минало възниква главно след публикуването на резултатите през 1862 г. известни експериментиПастьор, който унищожи всяка вяра във възможността за спонтанен произход на живота в наше време. Заедно с други, този проблем за „биопоезата“ е обсъждан от експерименталния физик Тиндал през 1874 г. Сега малко се знае за идеите на Болцман, който е не само теоретичен физик, но и горещ поддръжник на Дарвин по отношение на ранна историяжива материя. През 1886 г. той пише:

„Предполагаме, че са еволюирали комплекси от атоми, които са били в състояние да се размножават, образувайки подобни комплекси около себе си. От по-големите маси, възникнали по този начин, по-жизнеспособни бяха онези, които можеха да се възпроизвеждат чрез делене, след това онези, които имаха тенденция да се движат към по-благоприятни условия на живот. Тази тенденция е значително улеснена от чувствителността към външни влияния - химичен състави движението на околната среда към светлина и сянка и т.н.”

През 1904 г., в спор с Оствалд за щастлив случай (!), той пише: „За нас в в такъв случайняма значение къде преди милиони години е възникнала първата протоплазма: дали е възникнала на Земята „случайно“, във водния стълб или в тинестото дъно на първичния океан, или дали яйца, спори или други подобни ембриони някога са дошли на Земята от космическо пространствопод формата на прах или вътре в метеорити. По-високо развитите индивиди едва ли биха паднали от небето. И така, отначало имаше само напълно прости организми, прости клеткиили бучки протоплазма. Както е известно, всички малки тела се характеризират с постоянна, т.нар Брауново движение; също така е напълно възможно да си представим техния чисто механичен растеж и размножаване чрез усвояването на съответните компонентиот околната среда и последващо разделяне. Също толкова лесно е да се разбере, че външната среда е повлияла на бързите им движения,

променяйки го. Тези бучки, в които тази промяна доведе до факта, че те средно (предимно) се преместиха там, където имаше вещества, по-подходящи за абсорбция ( по-добра храна), се развиваше по-добре, разделяше се по-често и скоро измести всички останали.“

Но тогава имаше твърде малко физиологични и биохимични данни за успешна работав тази посока и интересът към проблема изчезна. Дискусията се подновява едва след публикуването на първите основополагащи трудове на Опарин и Халдейн. Разшири се след появата класическо произведениеОпарин "Произходът на живота" първо на руски, а след това на английски езици.

Идеите на Опарин и Халдейн се основават на дарвинисткия подход към събитията на новопоявилата се Земя. Тук не можем да обсъдим по-подробно тези нови идеи, които вече са общоприети, и препращаме читателя към съответните монографии и статии. Можем да препоръчаме и популярната книга Ponnamperuma с красиви илюстрации.

Хипотезата за произхода на живота чрез биохимична еволюция,или " Хипотезата на Опарин-Халдейн».

А. И. Опарин, руски биохимик и академик, публикува първата си книга по този проблем през 1924 г. J. Haldane, английски генетик и биохимик, от 1929 г. развива идеи, съзвучни с идеите на A.I. Oparin.

Той постулира, че животът е възникнал на Земята именно от нежива материя, при условия, които са съществували на планетата преди милиарди години. Тези условия включват наличието на определени енергийни източници температурен режим, вода и други неорганични вещества- предшественици органични съединения. Тогава атмосферата е била безкислородна (източник на кислород днес са растенията, но тогава ги е нямало).

В рамките на тази теория можем да разграничим пет основни етапа по пътя към възникването на живота, които са дадени в табл. 1.

маса 1

Етапи на развитие на живота на Земята според хипотезатаОпарин-Халдейн

		Охлаждане на планетата (под температура от +100 °C на нейната повърхност); кондензация на водни пари; образуване на първичен океан; разтваряне на газове във водата и минерали; мощни гръмотевични бури Синтез на прости органични съединения - аминокиселини, захари, азотни основи - в резултат на действието на мощни електрически разряди(мълния) и ултравиолетова радиация
		Образуване на най-простите протеини нуклеинова киселина, полизахариди, мазнини; коацервати
преди 3 милиарда години		Образуване на протобионти, способни на самовъзпроизвеждане и регулиран метаболизъм в резултат на появата на мембрани със селективна пропускливост и взаимодействия на нуклеинови киселини и протеини
преди 3 милиарда години		Появата на организми с клетъчна структура (първични прокариоти-бактерии)

Представите за формирането и състава на първичната атмосфера на Земята се основават на обективни данни различни науки, за изследването на газови черупки на други планети слънчева система. Много убедителни доказателства за възможността за осъществяване на 2-ри и 3-ти етап от развитието на живота бяха получени в резултат на многобройни експерименти за изкуствен синтез на биологични мономери. Така за първи път през 1953 г. С. Милър (САЩ) създава достатъчно лесен монтаж, при което той успя от смес от газове и водни пари под въздействието ултравиолетово облъчванеи електрическите разряди синтезират редица аминокиселини и други органични съединения (фиг. 1).

Ориз. 1.Настройката на Стенли Милър, в която той синтезира аминокиселини от газове, създавайки условия предполагаемосъществуващи в атмосферата на първобитната Земя. Газове и водаизпарения, циркулиращи в инсталацията под високо налягане,изложен на високо напрежение в продължение на една седмица.След това бяха изследвани веществата, събрани в „капана“.чрез хартиена хроматография. IN обща сумабешеИзолирани са 15 аминокиселини, включително глицин, аланини аспарагинова киселина

В експеримента на С. Милър неговата инсталация възпроизвежда условията, които са съществували на Земята в предполагаемото време. Устройството съдържаше смес от газове: водород, амоняк, метан и водни пари. Електроди бяха вкарани в една от камерите, за да произведат разряди, които симулират мълния, като възможен източник на енергия за химични реакции. Водата се излива в друга камера и тази камера се нагрява (до насищане газова смесводна пара). Друга камера беше охладена и тук водата кондензира („валеж“). В рамките на една седмица в кондензата бяха открити различни органични вещества.

През следващите десетилетия изкуственият синтез е извършен в много лаборатории по света. различни аминокиселини, нуклеотиди, прости захари, а след това и по-сложни органични съединения. Всичко това потвърждава възможността за образуване на органични вещества на Земята в далечни времена без участието на живи организми. При липса на свободен кислород (който би ги унищожил) и живи организми (които биха могли да ги използват като храна), тези вещества се натрупват в първичен океанвъв високи концентрации.

На следващ етапсе проведе повече образование комплексни съединения- протеиноподобни вещества (вериги от аминокиселини) и къси полинуклеотидни молекули. Вероятността за това е потвърдена многократно: днес нещо подобно се получава експериментално. Когато в първичния океан се достигне определена концентрация на органични вещества, могат да възникнат сложни агрегати различни съединения - коацервати, малки сферични образувания.

Изследването на изкуствено създадени коацервати (много широко изследвани от А. И. Опарин и неговите колеги) показа, че те проявяват някои свойства на живи системи. Имайки уплътнен външен слой, един вид клетъчна мембрана, коацерватите са способни да абсорбират селективно различни веществаот средата, в която участват химична реакциявътре в коацерватните капчици и някои от продуктите на тези реакции се освобождават обратно в средата. Чрез натрупване на вещества коацерватите „растат“ и, като се увеличат по размер, могат да се разпаднат на няколко части - „умножават се“.

Характеризират се различни по състав коацервати в различна степенустойчивост. По-стабилните се запазват, други изчезват и се унищожават.

Тези наблюдения дадоха основание на А. И. Опарин да предположи възможността за действие естествен подбор(виж по-долу) вече на този етап от формирането на живите.

Въпреки това коацерватите, с цялата сложност на тяхната организация, не могат да се считат за живи същества, главно защото нямат стабилно самовъзпроизвеждане.

На следващия етап в коацерватите се образуват връзки на нуклеинови киселини и протеини. Синтезът на протеини с определен състав започва да се извършва въз основа на информация, съдържаща се в нуклеиновите киселини.

Способността на нуклеиновите киселини да самовъзпроизвежданес участието на специфични белтъци – ензими. Тоест вече можем да говорим за външен вид протобионти- първични формиживот, който все още няма клетъчна организация, но е способен на самовъзпроизвеждане и метаболизъм.

По-нататъшното развитие на протобионтите и усложняването на тяхната организация доведе до появата на организми с клетъчна структура, - първични прокариоти, бактерии. От този момент започва биологична еволюция. Очевидно първоначално е имало хетеротрофни организми(тъй като първичният океан съдържа много различни органични вещества). С нарастването на техния брой се наблюдава намаляване хранителни ресурсии конкуренцията между тях се засили. Това доведе до появата на автотрофи - организми, които синтезират необходимите им органични вещества от неорганични.

Първо се появиха организми, които използват енергията, получена в резултат на окисляването на минералите. Този процес е известен като хемосинтеза, и организмите бяха наименувани хемосинтетици. След това, по време на последващи еволюционни трансформации, възникват автотрофни организми, които използват енергия слънчева светлина, - Това фотосинтезиращи организми (фотосинтетици). По-нататъшната биологична еволюция определя формирането на разнообразния свят на живата природа, който виждаме днес.

Видовото разнообразие в резултат на биологичната еволюцияции.Еволюционната доктрина (теория на еволюцията) е биологична дисциплина, която изучава причините и движещи сили, закономерности и механизми на развитие на живите организми.

Под биологична еволюцияразбере необратим и естествен процес историческо развитиеживи същества от прости към по-сложни от появата на първите живи организми на Земята.

В хода на еволюцията някои видове са заменени от други, сложността и организацията на живите организми се увеличават, тяхното разнообразие нараства и се появява човекът.

Голямо идеологическо значение еволюционна доктрина: то утвърждава идеята за единството на произхода на всички живи същества, обяснява причините за разнообразието на видовете,живеещи на Земята, целесъобразността на организирането на живите същества(т.е. съответствие на структурата и функционирането на всичките им системи и органи с условията на съществуване), едновременното присъствие в природата на прости и високоорганизирани организми.

Еволюционното учение служи теоретична основа съвременна биология, като комбинира и обобщава резултатите, получени от множество специални биологични науки.

Неговото значение за хората при решаването на проблемите на взаимодействието с биосферата е очевидно.

И накрая, познаването на законите и механизмите на еволюцията е в основата на развитието на селекцията - наука, която разработва методи за създаване и подобряване на сортове културни растения и породи домашни животни.

Историята на развитието на идеите за естествен произходЖивотът и еволюцията на организмите могат да бъдат разделени на три етапа: преддарвинов, дарвинов и следдарвинов (модерен).

Ориз. Стабилизираща форма на естествен подбор

Стабилизирайки подбора при относително постоянни условия на околната среда, естественият подбор е насочен срещу индивиди, чиито характеристики се отклоняват от средната норма в една или друга посока.

Стабилизиращият подбор запазва състоянието на популацията, което осигурява нейната максимална годност при постоянни условия на съществуване. Във всяко поколение се отстраняват индивиди, които се отклоняват от средната оптимална стойност на адаптивните черти.
Описани са много примери за действие на стабилизиращ подбор в природата. Например, на пръв поглед изглежда, че най-голям приносИндивиди с максимална плодовитост трябва да бъдат добавени към генофонда на следващото поколение.

Наблюденията на естествените популации на птици и бозайници обаче показват, че това не е така. Колкото повече пиленца или малки има в гнездото, толкова по-трудно е да ги нахраните, толкова по-малко и по-слабо е всяко от тях. В резултат на това индивидите със средна плодовитост са най-годни.

Селекция към средната стойност е открита за различни признаци. При бозайниците новородените с много ниско и много високо тегло са по-склонни да умрат при раждането или през първите седмици от живота си, отколкото новородените със средно тегло. Проучване на размера на крилата на птици, умрели след бурята, показа, че повечето от тях са имали твърде малки или твърде големи крила. И в този случай средните индивиди се оказаха най-адаптирани.

Каква е причината за постоянната поява на слабо адаптирани форми в постоянни условия на съществуване? Защо естественият подбор не е в състояние веднъж завинаги да изчисти популацията от нежелани девиантни форми? Причината е не само и не толкова постоянното появяване на нови и нови мутации. Причината е, че често най-силните са тези хетерозиготни генотипове. Когато се кръстосват, те постоянно се разделят и тяхното потомство произвежда хомозиготно потомство с намалена годност. Това явление се нарича балансиран полиморфизъм.

Най-широко известен примерТози полиморфизъм е сърповидно-клетъчна анемия. Това сериозно заболяванезаболяване на кръвта се среща при хора, хомозиготни за мутантната хемоглобинова алея (HbS) и води до тяхната смърт в ранна възраст. В повечето човешки популации честотата на тази алея е много ниска и приблизително равна на честотата на появата й поради мутации. Въпреки това, това е доста често срещано в райони на света, където маларията е често срещана. Оказа се, че хетерозиготите за HbS имат по-висока резистентност към малария от хомозиготите за нормалната алея. Благодарение на това в популациите, обитаващи маларийни райони, се създава и стабилно поддържа хетерозиготност за тази смъртоносна хомозиготна алея.

Стабилизиращата селекция е механизъм за натрупване на променливост в естествените популации. Изключителният учен I. I. Shmalgauzen беше първият, който обърна внимание на тази характеристика на стабилизиращата селекция. Той показа, че дори при стабилни условия на съществуване нито естественият подбор, нито еволюцията спират. Дори и да остане фенотипно непроменена, популацията не спира да се развива. Неговият генетичен състав непрекъснато се променя. Стабилизиращата селекция създава генетични системи, които осигуряват формирането на сходни оптимални фенотипове на базата на голямо разнообразие от генотипове. Такива генетични механизмикато доминиране, епистаза, комплементарно генно действие, непълно проникване и други средства за прикриване генетична изменчивостдължат съществуването си на стабилизиращата селекция.

Стабилизиращата форма на естествения подбор защитава съществуващия генотип от разрушителното влияние на процеса на мутация, което обяснява например съществуването на такива древни форми като hatteria и ginkgo.
Благодарение на стабилизиращата селекция, „живите вкаменелости“, живеещи в относително постоянни условия, са оцелели до днес. външна среда:

1. hatteria, носеща чертите на влечугите от мезозойската ера;
2. целакант, потомък на риби с лобови перки, широко разпространен в палеозойската ера;
3. северноамериканският опосум е торбесто животно, известно още от периода Креда;
4. Ginko gymnosperm растение, подобно на дървесни форми, които са изчезнали през юрския период на мезозойската ера.

Стабилизиращата форма на подбор действа, докато съществуват условията, довели до формирането на определен признак или свойство.

Тук е важно да се отбележи, че постоянството на условията не означава тяхната неизменност. През една година условия на околната средапроменяйте редовно. Стабилизиращата селекция адаптира популациите към тях сезонни промени. Циклите на възпроизвеждане са синхронизирани така, че да съвпадат с тях, така че младите животни да се раждат в този сезон на годината, когато хранителните ресурси са максимални. Всички отклонения от този оптимален цикъл, който се възпроизвежда от година на година, се елиминират чрез стабилизираща селекция. Потомците, родени твърде рано, умират от липса на храна; потомството, родено твърде късно, няма време да се подготви за зимата. Как животните и растенията разбират, че зимата идва? При настъпването на слана? Не, това не е много надежден показател. Краткосрочните температурни колебания могат да бъдат много подвеждащи. Ако през някоя година стане по-топло по-рано от обикновено, това не означава, че пролетта е дошла. Тези, които реагират твърде бързо на този ненадежден сигнал, рискуват да останат без потомство. По-добре е да изчакате по-надежден знак за пролетта - увеличаване на светлата част на деня. При повечето животински видове именно този сигнал задейства механизмите на сезонни промени в живота. важни функции: цикли на размножаване, линеене, миграции и др. I.I. Шмалхаузен убедително показа, че тези универсални адаптации възникват в резултат на стабилизиращ подбор.

По този начин, стабилизирайки селекцията, премахвайки отклоненията от нормата, активно формира генетични механизми, които осигуряват стабилното развитие на организмите и формирането на оптимални фенотипове на базата на различни генотипове. Осигурява стабилно функциониране на организмите в широк диапазон от колебания на външните условия, познати на вида.