Деякі
відповіді на запитання турніру від нашої команди (Рівненського району):
«Помилка»
природи. Еволюція вищих рослин відбувалася в напрямку домінування спорофіту.
Єдиний виняток — мохоподібні. До чого в майбутньому така «помилка» природи може
призвести цю групу рослин — до розквіту чи вимирання?
Чергування поколінь – спорофіту і гаметофіту –
спостерігається у життєвому циклі усіх вищих наземних рослин. Гаметофіт – це
статеве покоління, яке здатне до статевого розмноження і утворення гамет –
статевих клітин. Гамети формуються у органах статевого розмноження– антеридіях
і архегоніях. В результаті запліднення утворюється диплоїдна зигота, із якої
виростає покоління спорофіту. Він називається спорофітом, тому що здатний до
нестатевого розмноження з утворенням гаплоїдних спор, які дають початок новому
гаметофітному поколінню.
Мохоподібні – вищі (мають тканини і органи) спорові
рослини, широко розповсюджені у всіх природно-кліматичних зонах Землі, на всіх материках;
у тундрі й на високогір′ї є домінуючою групою рослин. Відділ налічує близько 27
тис. видів мохів, в Україні зустрічається понад 750 видів. Мохи регулюють
водний баланс, всмоктують і утримують воду, заболочують ґрунт, запобігають
ерозії ґрунтів, захищають стовбури дерев, першими заселяють необжиті субстрати
і створюють умови для росту інших рослин. Мохи здатні накопичувати радіоактивні
речовини і важкі метали. У даний момент часу кліматичні умови Землі сприятливі
для їхнього виживання.
Загальна характеристика мохів. Таломні або листкостеблові
рослини. Наявність ризоїдів. Наявність покривних та основних тканин.
Переважання гаметофіту над спорофітом. Спорофіт розвивається на гаметофіті.
Проаналізуємо, які особливості будови та
життєдіяльності мохоподібних можуть стати їм на заваді у майбутньому,
якщо клімат зміниться на більш посушливий і теплий.
- Гаметофітне покоління залежне від наявності води для статевого розмноження.
- Переважаючим поколінням мохів є гаплоїдний гаметофіт. Це означає, що клітини мають одинарний набір хромосом. Якщо виникатимуть несприятливі мутації, то вони матимуть більшу імовірність змінити генетичний матеріал. В диплоїдному (подвійному) наборі такий шанс буде набагато меншим, оскільки кожна хромосома матиме пару. І пошкоджена ділянка не буде відігравати ролі у передачі спадкової інформації, а також легко відновиться.
- Ризоїд моху – це не корінь, виконує тільки функцію прикріплення, а не всмоктування води. Тут теж прослідковується залежність від наявності води. Якщо клімат ставатиме сухішим, рослині важче буде здобувати воду.
- Спори в мохів проростають тільки у вологому ґрунті.
Але, є декілька позитивних моментів, сприяючих виживанню виду:
- Оскільки гаметофіт переважає, в житті мохів були періоди відсутності води, то з метою виживання вони виробили таке пристосування, як висока витривалість спор. Вони витримують кількагодинне перебування при температурі -200 градусів, короткочасне нагрівання до + 100 градусів.
- У мохів немає провідних тканин, але вони придбали в процесі еволюції особливу властивість – гігроскопічність, здатність пасивно всмоктувати воду. Гігроскопічність привела до розвитку у мохів водоносних клітин, в яких може накопичуватися волога.
- Гаметофіт моху може витримати тривалу посуху, але при наявності води відразу відновлюватися.
- Спорофит мохів, на відміну від гаметофіту, посухостійкий і здатний витримувати дефіцит вологи в умовах наземно-повітряного середовища.
- Вони не поїдаються тваринами через жорсткі клітинні оболонки, що теж сприяє виживанню.
Висновки. Така особливість мохоподібних, як переважання гаметофіту може виявитися
сприятливою лише за умови стабільно вологого і теплого клімату. Вимирання виду
можливе тільки при дуже посушливому кліматі тривалий період часу.
Макрофаги. Згідно з результатами сучасних досліджень, у тканинах ссавців
функціонують макрофаги різного походження. Обґрунтуйте біологічну доцільність
утворення макрофагів різного гістогенезу.
Макрофаг. Переклад – великий пожирач.
Визначення – тканинний фагоцит.
Особливості будови. В клітині одне ядро, багато мітохондрій (забезпечують
енергією), ендоплазматична сітка переважно гранулярна, тобто, з рибосомами
(синтезують білки). У клітині також багато лізосом (одномембранних органел з
білками-ферментами). Мембрана здатна утворювати несправжні ніжки у процесі
фагоцитозу.
Макрофаги можуть об’єднуватись у гігантські
багатоядерні клітини – гранулеми.
Функції макрофагів:
- Фагоцитоз (поглинання).
- Переробка – розщеплення чужорідних агентів на фрагменти.
- Мітка. Передають антиген (інформацію) про чужорідне Т-клітинам, тим самим вмикаючи імунну реакцію.
- Стимул. Створюють стимулюючий вплив на інші клітини захисної системи (через утворення білків-медіаторів)
- Регулюють розвиток запалення
В яких тканинах зустрічаються? Вільні
макрофаги можна знайти в альвеолах легень та в сполучній тканині всіх органів
(гістоцити). Фіксовані макрофаги є у селезінці, печінці (купферовські клітини),
легенях, шкірі.
А тепер перейдемо до основного питання про походження.
Існує 2 різних шляхи походження макрофагів.
За широко відомою версією, вони постійно
утворюються з кровотворних стовбурових клітин спинного мозку. Монобласти
перетворюються на промоноцити (з більшим ядром і здатністю до
фагоцитозу), а ті, в свою чергу, дають початок моноцитам крові
(великим одноядерним лейкоцитам). Моноцити живуть у кров’яному руслі 12-24
години, а далі проникають крізь стінки судин в тканини, де і стають макрофагами.
Такий процес проникнення називається діапедезом.
Другий шлях утворення. Нещодавно професор Мюнхенського
університету Крістіан Шульц встановив, що у ссавців одночасно існують дві
різних колонії макрофагів різного походження. Проводячи досліди на ембріонах
мишей (вилучався фактор росту, що відіграє роль у формуванні стовбурових
клітин), було виявлено, що макрофаги вже існують в ссавців на ранніх етапах
зародкового розвитку (стадія зародкового мішка), ще до появи стовбурових клітин
кісткового мозку. Макрофаги на ранніх стадіях ембріогенезу
утворюються з мієлоїдних клітин (попередників клітин спинного мозку).
У чому ж біологічна доцільність утворення
макрофагів різного походження?
По-перше, макрофаги, що з′явилися на ранніх етапах
розвитку організму, живуть довший час, вони здатні відновлюватися і без
стовбурових клітин.
По-друге, макрофаги стовбурового походження постійно
оновлюються, завдяки наявності червоного кісткового мозку, їх може утворюватись
вже значна кількість, забезпечуючи потреби зростаючого організму.
По-третє, організм і на ранніх стадіях свого розвитку
повинен якось боротися з небезпеками ззовні, захищатися від чужорідних агентів.
В цьому йому вже допомагають макрофаги мієлоїдного походження, вони
становлять першу лінію оборони!
Висновок. В організмі ссавців одночасно існують макрофаги стовбурового і мієлоїдного
походження. Це є доцільним, адже на ранніх стадіях ембріонального розвитку, ще
до появи стовбурових клітин кісткового мозку, організм теж потребує захисту від
чужорідного. Але таких клітин буде замало для боротьби з чужорідним вже
дорослого організму, з величезною кількістю клітин.
Багатоклітинні прокаріоти. Існує велика кількість видів багатоклітинних еукаріот. У той же час найскладніше організовані прокаріоти — нитчасті ціанобактерії. Змоделюйте прокаріотичний багатоклітинний організм.
Для початку з′ясуємо, хто такі прокаріоти? Це організми,
що не мають чітко сформованого ядра. Його функції частково виконує нуклеоїд.
Це молекула ДНК, що лежить в центрі клітини, не оточена мембранами. Клітини
прокаріотів можуть містити плазміди (до 10 шт.) – позахромосомні
кільцеві структури, що відповідають за фертильність-плодючість, резистентність
або стійкість до антибіотиків. Без них прокаріот може обходитись. До складу
клітинної стінки входить мурен. У клітинах відсутні мембранні органоїди:
ендоплазматична сітка, комплекс Гольджі, лізосоми, вакуолі з клітинним соком,
мітохондрії. Пластиди теж відсутні, а пігменти фотосинтезу локалізовані в
тилакоїдах, що вільно лежать в цитоплазмі. Наявні рибосоми – немембранні
органели для синтезу білка. Розмноження в прокаріотів вегетативне
(поділом, якому передує подвоєння спадкового матеріалу) і нестатеве (в
нитчастих ціанобактерій – фрагментами нитки).
Нитчасті ціанобактерії, такі як носток сливоподібний,
осциляторія, лінгбія, глеокапса, побудовані дуже просто. Тіло нитчастої
будови, клітини розміщені в один ряд, іноді ниточки ще об’єднуються в колонії.
Спостерігається незначний перехід до тканинної структури талому. З′являються гетероцисти
– клітини з двошаровими оболонками, без фотосинтезуючих ферментів (безбарвні).
Гетероцисти можуть фіксувати атмосферний азот. Також нитчасті прокаріоти можуть
утворювати спори для розмноження. Зв′язки між клітинами здійснюються за
допомогою плазмодесм – цитоплазматичних тяжів. У ціанобактерій є
видозмінені рибосоми - карбоксісоми, що представляють собою тільця, які
містять фермент, за допомогою якого відбувається фіксація СО2.
А тепер перейду до основного питання. Для того, щоб
створити повноцінний багатоклітинний організм, треба вирішити декілька завдань:
1.
Спеціалізація клітин на виконання різних функцій.
2.
Міжклітинні взаємодії.
3.
Регуляція як на рівні клітини,
так і на рівні тканин та всього організму.
- А чи можливо це зробити в прокаріотів?
- Яку спадкову інформацію несе нуклеоїд? Чи не є вона дуже обмеженою?
- Чому в прокаріотів відсутні мембранні органели?
- Яким може бути змодельований прокаріотичний багатоклітинний організм?
- Чи можна побудувати будинок тільки з однорідних компонентів, наприклад, тільки з цегли?
З першим завданням – спеціалізацією – ми
впораємось погано. Тканини в нашого організму відсутні, тому що відсутні
специфічні характерні органоїди. Клітини можна розмістити не в один, а у
декілька (але небагато) шарів. Незначного розподілу праці між ними можна
досягти, поділивши їх на дві групи – фотосинтезуючі (біля поверхні тіла) та
безхлорофільні (в середині). Перші будуть фотосинтезувати та відкладати поживні
речовини про запас (у вигляді зерен глікогену), а також обмінюватись даними
речовинами через плазмодесми з іншими клітинами. Це може відбуватися завдяки
різниці концентрацій даних речовин у клітинах. А це – наше друге
завдання – міжклітинні взаємодії. Клітинні стінки над мембранами ми
залишимо, вони нададуть додаткової міцності. А хто ж буде здійснювати регуляцію
на рівні організму (третє завдання)? Це завдання можуть здійснювати спеціальні
гормони, синтезовані на рибосомах.
Але який сенс жити клітинам нашого організму разом?
Які в цьому переваги? Їх небагато. Можливо, що разом легше протистояти
негативним впливам оточуючого середовища, легше передавати інформацію, відновлюючи
свій генетичний апарат після пошкоджень у результаті мутацій…
Наш організм живе у воді, але ближче до поверхні
стоячих водойм – легше протистояти негативним впливам середовища (механічних
тканин ж немає!), краще потрапляння світла для фотосинтезу.
Спосіб живлення – автофототрофний та хемотрофний
(фіксація нітрогену). Повноцінним гетеротрофом багатоклітинний організм бути не
зможе у зв′язку із відсутністю таких мембранних органел, як мітохондрії (розщеплення
переважно вуглеводів і утворення енергії), лізосоми (травні вакуолі з
ферментом), ендоплазматична сітка (синтез різних речовин, гранулярна –
білка, гладенька – ліпідів і вуглеводів).
Способами розмноження будуть нестатеве (поділ клітин і
утворення спор) і вегетативне (частинками тіла).
Висновок. Повноцінний багатоклітинний прокаріотичний організм побудувати
нереально. Як би це було можливо, природа зробила би це за нас. А так, вона
обмежилася тільки нитчастими ціанобактеріями, видів яких є небагато. У зв′язку
з відсутністю в прокаріотів мембранних органел, майже неможливо здійснити
спеціалізацію клітин і утворити тканини. Але простенький, організм, тіло якого
складається з декількох шарів, існує поділ на 2 типи клітин за будовою і
виконуваним функціями, побудувати можливо. За способом живлення цей організм
обов′язково буде автотрофом. Жити буде у верхніх шарах водойм з незначними
течіями.
Синтетичний організм. Уявіть, що Ви — провідний спеціаліст у галузі синтетичної біології й очолюєте проект щодо створення першого у світі штучного живого організму. Опишіть, які експерименти Ви будете проводити і які труднощі у Вас виникатимуть на шляху реалізації проекту.
Крок 1
Перед тим, як щось створювати, я задам собі два
питання:
1.
З якою метою я це роблю?
2.
Чи не нашкодить природі таке моє
втручання.
Тільки добре зваживши всі «за» і «проти», прейду до
подальших кроків. Так такий організм, як бактерія сінтія, створена з мікоплазми
(внутрішньоклітинного паразита) з благородною метою – очистити Мексиканську
затоку від нафтової плями, мутувавши, виявилася згубною для риб, птахів, та для
інших мешканців затоки. Не тільки тварини стали жертвами страшної невиліковної
хвороби, постраждали навіть люди… Ліків від сінтії і досі немає, її не бере
жоден антибіотик.
Крок 2
Проаналізую всі наявні матеріали з даного питання, досвід
колег та інших спеціалістів у цьому. Адже створений нами організм вже не буде
першим, є вже декілька відомих фактів. Наша група теж зробила такий аналіз,
коротко про це розкажу.
Так, створення штучних бактерій з мікоплазми, про яку
я вже згадувала, проходило в декілька етапів. Дослідження відбувалися в
Каліфорнійському університеті.
Спочатку вони спробували заміщати геном однієї
бактерії на геном другої.
На другому етапі спробували створити організм з
мінімальною кількістю можливих генів, вилучаючи з геному мікоплазми (482гени),
як вони вважали, зайві гени. Не все відбувалося так гладко. Гени вилучалися за
допомогою такого методу, як транспозонний мутагенез. Транспозони – це
ділянки ДНК, які можуть переміщуватися у геномі з одного місця в інше,
вбудовуватись у різні гени, порушуючи їхню роботу. Якщо транспозон
вбудується у життєво важливий ген, клітина загине. Вчені відбирали
клітини, що залишилися живими, визначали точне місце їхнього вбудовування,
визначаючи тим самим «неважливі» гени. Але, коли всі такі гени вилучалися,
новостворені організми помирали. Тоді вчені прийшли до такого висновку, що не
можна видаляти всі «непотрібні» гени одночасно, адже у клітині деякі гени
можуть виконувати схожі функції, між ними існує така ніби взаємодопомога, якщо
один перестає працювати – його заміняє інший.
На третьому етапі група створила штучний геном
і вже відому нам синтію. Працювала над проектом група вчених на чолі з
Хемільтоном (нагороджений Нобелевською премією), Хадчисоном, Вентером. Із вже
отриманої на першому етапі істоти з мінімальною кількістю генів (381), ці гени
виділялися і синтезувалася штучна хромосома з таким само набором генів. Її і
пересадили синтії. Новий вид став здатним до розмноження. До чого це привело,
ми вже знаємо.
Ще один факт про
створення штучного (хоча і не зовсім живого!) організму – це створення
вільноплаваючої «медузи» на основі силікону (неживого компоненту) і живих
клітин міокарду (серцевого м′язу). Працювали над ним вчені з Гарварду. Так
само, як і серце качає кров, медуза переміщується у воді, випускаючі воду,
подібно помпі. Метою дослідження було розібратися в принципах функціонування
такої живої «помпи».
Зараз створені «живі» моделі різних
органів людини, на основі яких вивчається їхнє функціонування. Японськими
вченими навіть створені роботи, які нагадують людей. Функцію мозку в них
виконує ЕОМ. Такі роботи можна використовувати на шкідливих виробництвах, у
космосі, у дослідженнях на морському дні…
Крок 3
А тепер приступимо до створення нашого організму. Що
треба зробити, щоб він функціонував?
Створити насправді живий штучний
багатоклітинний організм наразі неможливо, адже йому будуть властиві не всі
ознаки живого, такі як дихання, живлення, рух, ріст, розвиток, здатність до
розмноження, подразливість, обмін речовин. Та і з якою метою це робити? А ось
відтворити деякі елементи будови і функціонування нам під силу, хоч це буде і
складно. Проаналізуємо тільки деякі з труднощів (за браком часу).
Ось, наприклад, вирішили ми створити штучну домашню
тварину з потрібним нам ознаками, поведінкою, не викликаючи алергій та інше…
Травну, дихальну та кровоносну систему наш синтетичний організм
може не мати. Він буде отримувати енергію від блоку живлення. Проблема у тому,
що його потрібно буде постійно обслуговувати.
Нервову систему (керування тілом) може замінити потужний ЕОМ.
Рух. Живий організм мусить рухатися. Для цього потрібно штучні суглоби, які
можна замінити на шарніри. Однак для змазування потрібно мастило, яке б за
властивостями нагадувало б суглобову рідину, що має унікальні властивості. Коли
суглоб в спокої – вона густішої консистенції. При активному русі рідина стає
рідшою, вкриває суглоб надзвичайно тоненькою плівкою. Мастил з подібними функціями
створити ще не вдалося.
Покриви створити подібні до шкіри сучасні технології теж не можуть. Адже
шкіра здатна боротися з мікроорганізмами, бути постійно еластичною, витримувати
багаторазові згинання без розриву, охолоджувати себе, постійно реагувати на
атмосферні зміни, не розмокати при зволоженні та надмірно не розтягуватись.
Подібного синтетичного матеріалу просто не існує, тому в організмі потрібно
часто буде замінювати пошкоджені ділянки.
Орган зору. Важко буде створити штучну акомодацію. Якщо наш організм буде швидко
рухатись, сприймати зовнішні предмети і чітко їх розпізнавати буде проблемно.
Тому він або буде рухатись повільно, або – наштовхуватись на перешкоди. У
несприятливі погодні умови очищати орган теж буде складно.
Висновки:
перед тим, як створювати когось нового штучним шляхом, треба добре подумати, а
не нашкодимо ми своїм винаходом природі, не порушимо її закони, рівновагу. Адже
навіть створення одноклітинної істоти, здатної до самовідтворення, з
благородною метою може призвести до жахливих наслідків! Що вже говорити про
багатоклітинний організм! Хоча останній зробити повністю штучним (не
химеру!) і при цьому на 100% живим нам не вдасться. Це й добре. Але
відтворити в ньому деякі ознаки живого можливо.
Знати визначення: ген (ділянка ДНК, що відповідає за
якусь ознаку), геном (сукупність генів), мутаген (фактор, що викликає мутацію),
мутація (зміна спадкового матеріалу).
Мінімальний
геном. Яка найменша кількість генів потрібна для функціонування живого
організму? Опишіть функціональне значення послідовностей такого мінімального
геному.
Почну з визначень. Геном – сукупність всієї
спадкової інформації організму, тобто всіх генів, некодуючих послідовностей ДНК
та позахромосомного генетичного матеріалу (мітохондрій, пластид в еукаріотів та
плазмід в прокаріотів). Це сукупність генів в галоїдному (одинарному) наборі
хромосом організмів одного виду.
Ген – ділянка ДНК, що несе інформацію про один білок (одну ознаку).
Розмір геному позитивно корелює із складністю
організмів тільки в прокаріотів. Це можна пояснити особливостями будови
генетичного апарату останніх. У прокаріотів відносно незначна кількість не
кодуючих білки послідовностей (регуляторних). Пов′язане це із тим, що
близькі за функціями гени об’єднуються у оперони (групи), що мають
спільні регуляторні послідовності (некодуючі ділянки). При синтезі білка у
процесі транскрипції синтезується одна спільна для всіх генів одного
оперону молекула інформаційної РНК, що є матрицею для синтезу декількох
білків. У прокаріотів є ще гени, що не зібрані в оперони. Вони контролюють
роботу оперонів.
В еукаріотів будова генетичного апарату інша. В ньому
чергуються екзони (кодуючи білок ділянки) і інтрони (некодуючі). Для синтезу
кожного з білків утворюється молекула і-РНК.
В природі мінімальну кількість генів має бактерія мікоплазма Mycoplasma
genitalium (482 гени) та інша бактерія, штучно отримана з неї (381 ген).
Над останнім проектом працювала група вчених Каліфорнійського університету на
чолі з Хемільтоном (нагороджений Нобелевською премією), Хадчисоном, Вентером.
Вони спробували створити організм з мінімальною кількістю можливих генів,
вилучаючи з геному мікоплазми, як вони вважали, зайві гени. Не все відбувалося
так гладко. Гени вилучалися за допомогою такого методу, як транспозонний мутагенез.
Транспозони – це ділянки ДНК, які можуть переміщуватися у геномі з
одного місця в інше, вбудовуватись у різні гени, порушуючи їхню роботу.
Якщо транспозон вбудується у життєво важливий ген, клітина загине. Вчені
відбирали клітини, що залишилися живими, визначали точне місце їхнього
вбудовування, визначаючи тим самим «неважливі» гени. Але, коли всі такі гени
вилучалися, новостворені організми помирали. Тоді вчені прийшли до такого
висновку, що не можна видаляти всі «непотрібні» гени одночасно, адже у клітині
деякі гени можуть виконувати схожі функції, між ними існує така ніби
взаємодопомога, якщо один перестає працювати – його заміняє інший. Тому
видалити безболісно для організму вдалося тільки 1/8 всіх генів.
На слідуючому етапі із вже отриманої істоти з
мінімальною кількістю генів, виділили гени та штучно синтезували хромосому з
таким само набором генів. Її і пересадили іншій мікоплазмі. Новий вид став
здатним до розмноження.
На основі порівняння послідовностей нуклеотидів, зараз
встановлені функції більшості генів. Так 48% генів відповідають за збереження,
підтримання, реалізацію та передачу спадкового матеріалу. Гени, що регулюють
метаболізм, складають 17% геному. Ще 18% відповідають за підтримку клітинної
мембрани. Функції ще 149 генів невивчені. Це свідчить про неповноту знань і
відкриває нові горизонти для досліджень.
Висновок.
Мінімальна кількість генів у геномі прокаріот – 381, кодуючих білки елементів
(генів) більше, ніж регуляторних. Пояснити це можна оперонною організацією
геномів. Ще менша кількість генів неможлива у зв′язку із спільною дією та
взаємодопомогою деяких генів.
Анаеробна біосфера. Як би могла проходити еволюція біосфери Землі за
відсутності кисневої революції?
Почну з визначень. За способом живлення організмів
поділяють на гетеротрофів (живляться готовими органічними речовинами),
та автотрофів, що самі створюють органічні речовини за рахунок енергії
сонця (фототрофи) чи енергії хімічних речовин (хемотрофи).
Гліколіз – безкисневе ферментативне розщеплення глюкози до двох молекул
піровіноградної кислоти. При цьому утворюється тільки дві молекули АТФ. (Для
прикладу, при повному кисневому розщеплені глюкози утворюється 36 молекул АТФ,
а це набагато більше!)
Спочатку розглянемо, як відбувалася еволюція біосфери.
Вона проходила в декілька етапів.
1.
Хімічна еволюція. Первинна атмосфера містила
незначну кількість кисню, що утворювався за рахунок фотодисоціації водяної
пари. Через відсутність значних кількостей кисню, а отже, і озону,
ультрафіолетові промені легко проникали крізь атмосферу, що створювало
сприятливі умови для утворення органічних речовин (амінокислот і піридинових
основ). Органічні речовини могли поступово накопичуватися в
найбільш сприятливих місцях первісного океану, наприклад на мілководдях, це забезпечило виникнення життя.
2.
Біологічна еволюція. Вже від 3,8 до 3,6 млн років
тому утворилися архебіонти — найперші організми. Вони були гетеротрофами
– живилися готовою органічною речовиною «первинного бульйону». Мали клітинну
будову й розмножувалися поділом клітини навпіл. З органел існували тільки
рибосоми – немембранні структури, на яких синтезуються білки. Зовнішню клітинну
мембрану оточувала щільна оболонка. Джерелом енергії слугував гліколіз.
Генетична інформація зберігалася в кільцевій молекулі ДНК (нуклеоїді).
3. Виникнення прокаріот з архебіонтів
3,5-3,0 млрд років тому. За своїми розмірами, формами тіла й клітинною будовою
нічим не відрізнялися від сучасних гетеротрофних бактерій.
4. Поява перших хемоавтотрофів, що
змогли вже синтезувати всі необхідні органічні сполуки, використовуючи енергію
хімічних реакцій.
5.
Поява фотоавтотрофів, що можуть синтезувати органічні
сполуки, використовуючи енергію світла. Перші фототрофи здійснювали анаеробний
фотосинтез. І нині на Землі живе безліч груп бактерій, у яких фотосинтез
відбувається без виділення кисню. Найпримітивнішим є безхлорофільний
фотосинтез у деяких амирхеїв: світлову енергію поглинають спеціальні білки, що
нагадують зорові пігменти ссавців. Зелені і бурі бактерії, хоч і мають речовину
бактеріохлорофіл, однак фотони світла сприймають за допомогою
червоно-коричневих пігментів каротиноїдів. Тільки потім їх енергія передається
молекулам бактеріохлорофілу.
6. Освоєння нового середовища існування — суходолу, де оселилися ґрунтові бактерії.
А тепер перейду до нашого питання, як би могла
відбуватися еволюція живого, якби атмосфера залишалася безкисневою. Оскільки в
безкисневому середовищі отримується і використовується в процесах життєдіяльності
менше енергії (гліколіз – низькоенергетичний процес!), то:
- Еукаріотичні організми (з чітко сформованим ядром у клітині) не виникли би, всі еукаріоти (за деяким винятком) є аеробними організмами (а це енергетично більш вигідно).
- Розміри організмів залишалися би малими.
- Вузькі можливості структурної диференціації (появи нових органоїдів). На побудову нового потрібна енергія!
Але, життя у безкисневому середовищі є можливим.
Навіть добре, що немає вільного кисню, він, як надзвичайно активний окиснювач,
руйнував, дезактивував, «спалював» би більшість ферментів бактерій-анаеробів. А
ферменти потрібні хемотрофам, щоб розщеплювати різноманітні хімічні сполуки з
метою отримання енергії та відновлення клітин.
Планету населяють різноманітні доядерні організми –
прокаріоти. Вони присутні у ґрунті, воді, повітрі.
Переважна більшість організмів існує у вигляді окремих
клітин.
Взаємозв′язки між організмами. Можливі конкуренція, хижацтво (більші
за розмірами можуть поглинути і перетравити менших) і мутуалістизм (взаємовигідні
відносини). Приклад мутуалізму – об’єднання клітин по 2, 4, у грона, нитки,
розгалужені нитки. Між клітинами в таких асоціаціях можливий обмін деякими
речовинами, наприклад воднем. Паразитизм же потребує значних затрат енергії та
господаря, що має ядерні клітини.
Прокаріоти хоч і невеличкого розміру, із слабко
диференційованими клітинами, але виконують безліч екологічних функцій:
фіксація молекулярного азоту, нітрифікація, денітрифікація, сульфатне і сіркове
дихання, утворення та використання метану, кругообіг азоту та сірки.
Висновок: в безкисневому середовищі
існували би тільки бактерії, різноманітність яких обумовлювалася пристосуванням
до отримання енергії та будівельного матеріалу від різних хімічних речовин.
Оскільки енергію вони добувають тільки в результаті гліколізу як
низькоенергетичного процесу, то нових органоїдів, появи ядра, збільшення
розмірів клітин не відбудеться. Кругообіг речовин у природі прокаріоти повністю
здіснюють.
Альтернативна еволюція. На певному етапі еволюції примати перейшли «зі
світу запахів у світ світла»: зорова сенсорна система стала домінуючою. Припустіть,
як би змінилися нащадки людини й сучасні люди, якби в процесі еволюції
домінуючою була не зорова, а яка-небудь інша сенсорна система.
Почну з визначень. Сенсорна система – це система
організму, що забезпечує сприйняття й перероблення інформації
про зміни довкілля та стан внутрішнього середовища організму. Вона
складається з рецептора, що сприймає вплив, нервових шляхів, що передають
зміни, і зони кори, що аналізує.
Основні сенсорні системи: зорова, слухова, нюхова, смакова, дотикова. Крім
того, ми отримуємо інформацію від пропріорецепторів (у внутрішніх органах), від
органу рівноваги. Всі сенсорні системи нашого організму працюють узгоджено,
постійно взаємодіючи одна з одною, щоб давати нам повне уявлення про світ.
Є навіть декілька цікавих особливостей взаємодії
наших відчуттів.
- Контраст – це зміна інтенсивності і якості відчуттів під впливом попереднього або супутнього подразника. Так одна і та ж фігура на чорному тлі здається світлішою, на білому – темніє. Зелений предмет на червоному тлі здається більш насиченим. Добре відоме і явище послідовного контрасту. Після холодного слабкий теплий подразник здається гарячим. Відчуття кислого підвищує чутливість до солодкого.
- Сенсибілізація – підвищення чутливості в результаті взаємодії аналізаторів, а також систематичних вправ. Відомі випадки, коли люди, які втратили зір, опанували скульптуру, у них добре розвинені дотикові відчуття, вібраційна чутливість. Відомий український психолог, вчена сліпоглухоніма Ольга Скороходова, тримаючи руку на горлі співбесідника, може зрозуміти, хто і про що говорить, а також, беручи газету в руки, знає, читала її чи ні.
- В деяких людей існує цікавий феномен – синестезія. Хтось відчуває колір звуків, хтось – асоціює імена із смаками, хтось візуалізує музику…
- 90% інформації людина отримує через зір, близько 5% - за допомогою слуху, на нюх доводиться лише близько 2%.
Нюх – перше з відчуттів, що з'явилося в процесі
еволюції. Задовго до того, як розвинулися й удосконалювалися зір і слух, він
забезпечував живим істотам дві їхні головні функції – харчування і розмноження.
Без цього рецептора організм найдавніших тварин просто не зміг би існувати.
Тому коркові центри цього аналізатора знаходяться в людини у найдавнішій
частині головного мозку – в нюховому мозку. Запах проникає в мозок по більш
прямому маршруту, ніж будь-які інші відчуття. Рецептори, розташовані в носовій
порожнині, пов'язані з мозком без посередництва синапсів (контактів між
нейронами). Більш того, на відміну від зорових і слухових рецепторів,
нюхові рецептори відчувають безпосередній вплив навколишнього середовища – вони
знаходяться прямо в носовій порожнині і не мають перед собою захисної оболонки.
(Тоді як зорові рецептори розташовані позаду рогової оболонки, а слухові
захищені зовнішнім і середнім вухом.)
Чому зір для наших предків став важливішим за нюх? Так
вони пересування в тривимірному просторі (на деревах), а не на площині. Наші
ранні предки мали ніздрі, вивернуті догори, – так само, як і у всіх інших
тварин. Починаючи від кроманьйонців, які жили 35 тисяч років тому, ніс у них
вже набув сучасної форми.
А тепер перейду до основного питання, щоб змінилося,
як би надалі еволюціонували люди, як би домінуючою стала інша сенсорна система?
Домінуюча – переважаюча. Це не означає? Це зовсім не означає, що інші
системи не повинні функціонувати. Просто першість, головна роль перейде до іншої.
Подумаємо, яка ще система (крім нюхової і зорової)
могла виконати функцію лідера.
Смакова? Точно ні. Не будемо ж ми все пробувати на
смак і постійно ходити з відкритим ротом і висунутим язиком? Тим більше,
відчуття смаку залежить від багатьох факторів: запаху, температури їжі, звуків
навколо, навіть настрою!
Пропріорецепція? Вона відбувається завдяки
особливим рецепторам м'язів, які повідомляють мозок про поточну довжину і
напругу м'язів. Однозначно ні. Не будемо ж ми тільки зациклюватися на
внутрішньому відчутті!
Вестибулярний апарат? Він зміг би нам давати більше
інформації про зміну положення в просторі. Але ж ми не завжди змінюємо позу.
Слух? Це дійсно можливо. Деякі ссавці чують краще за
нас, в деяких навіть розвинена ехолокація. Здатність до ехолокації можна
навіть розвинути у людей. Для цього людина виробляє специфічний звук –
клацання – і прислухається, як його відбивають оточуючі предмети. Зазвичай, у
такій спосіб орієнтуються у просторі сліпі люди. У США навіть існує дивовижна
команда сліпих велосипедистів – TeamBat, яку очолює Деніел Кіш. За допомогою
ехолокації спортсмени катаються на гірських велосипедах. Ехолокація спирається
на слух, але функціонує як зір!
На скільки зміниться будова нашого тіла, якщо слух
стане домінуючим? Скоріше за все, не сильно. Адже наші предки тільки поміняли
розташування ніздрів при «переході із світу запахів у світ світла»!
Що треба змінити в організмі, щоб краще чути?
- Можливо, збільшити розмір вушних раковин, щоб краще вловлювати звуки.
- Підвищити чутливість інших аналізаторів, які могли б допомогти.
- Синестезію теж можна було б натренувати…
Висновки: всі наші сенсорні системи працюють узгоджено, і хоча одна з них в даний
відрізок часу є домінуючою, це не означає, що вона перейме всю функцію
сприйняття інформації на себе. Якщо ця система і знайде собі заміну, наприклад,
домінуючим стане слух, то загальна організація організму сильно не зміниться.
Бактеріородопсинопласти.
Хлоропласти рослин є нащадками давніх симбіотичних ціанобактерій. Крім зелених
бактерій до фотосинтезу також здатні деякі галобактерії, що використовують
червоний бактеріородопсин. Теоретично вони також могли б стати ендосимбіонтами.
Чому цього не відбулося, у той час як різні групи еукаріотів кілька разів
незалежно один від одного отримували хлоропласти в процесі еволюції?
Почну з пояснення деяких моментів.
Теорія ендосимбіозу (внутрішнього симбіозу). Вважають, що еукаріоти виникли 1,5 млрд років тому в
результаті своєрідного симбіозу різних видів прокаріотів. Великі гетеротрофні
прокаріоти, які живилися дрібними, не зуміли перетравити деяких з них і ті
прижилися в цитоплазмі «хижаків», перетворившись у мітохондрії, пластиди й
джгутики. Поступово в міру розвитку системи внутрішньоклітинних мембран з
них сформувалася оболонка ядра і паралельно з цим з ДНК та специфічних лужних
білків гістонів утворилися хромосоми. З таких первинних джгутикових еукаріотів
виникли найпростіші й одноклітинні гриби.
Фотоси́нтез — процес синтезу органічних сполук з вуглекислого газу
та води з використанням енергії світла й за участю фотосинтетичних пігментів
(хлорофіл у рослин, хлорофіл, бактеріохлорофіл і бактеріородопсин у бактерій).
У світловій фазі відбувається поглинання світла
пігментами, перетворення енергії світла в хімічну енергію АТФ та виділення
кисню як побічного продукту в атмосферу. Донором електронів на цьому етапі є
вода. (Н2О→Н+ + О2 + е-) У темновій
фазі утворюються органічні речовини.
Галобактерії – бактерії, що живуть у середовищах з високою концентрацією солей. (15-32%
NaCl). За рахунок специфічного пігмент-білкового комплексу бактеріородопсина
здатні до здійснення особливого типу фотосинтезу. Вільноживучі сапрофіти.
Галобактерії еволюційно з′явилися як окрема гілка
організмів, адже вони мають іншу будову мембран, джгутиків, клітинних
стінок, генетичного апарату.
Молекула гліцерину в ліпідах мембрани має інше
просторове розміщення, це призводить до зміни властивостей.
До 15 % білків галобактерій є унікальними.
Біосинтез білка архей більше нагадує цей процес в клітинах еукаріот, ніж
бактерій, навіть рибосоми архей дуже близькі до аналогічних структур у
еукаріот. Гени (ділянки ДНК, що кодують один білок) архей містять
унікальні інтрони (некодуючі ділянки).
Клітинні стінки більшості архей утворені тільки зовнішніми шарами
білків, вони не мають муреїну (пептидоглікану), тому не такі міцні.
Проаналізувавши особливості будови та життєдіяльності галофітів,
наша команда прийшла до висновку, що вони не змогли би, ставши ендосимбіонтами
інших бактерій, виконувати функції хлоропластів з таких причин:
1.
Такий ендосимбіоз не відбувся би,
бо майбутні симбіонти, очевидно, жили у різних умовах, у різних водоймах чи
їхніх частинах, де солоність відрізняється.
2.
Галофіти не можуть жити там, де
недостатньо солей. При видаленні з солоного середовища, клітинна стінка
галофітів розчиняється, а цитоплазматична мембрана розпадається на дрібні
фрагменти. Таке теж могло би відбутися, якби галофіти стали ендосимбіонтами.
Всередині іншої бактерії їм би не вистачило солей.
3.
Можливо, завдяки іншому
походженню й будові мембрани, не такій, як в бактерії-хижака, не змогли би
утворитися подвійні мембрани у такого хлоропласту.
4.
Галобактерії здійснюють
безхлорофільний фотосинтез. Це означає, що донором електронів у ньому є не
вода, а інші речовини: водень, сульфіди, тіосульфат. Тому кисень, як побічний
продукт, не утворюється.
5. У зв′язку із різним походженням, будовою, функціонуванням
організмів, а значить, чужорідністю, не відбулося би ендосимбіозу.
Висновок: галобактерії не стали ендосимбіонтами з таких причин: чужорідності через
різницю походження і організації; клітинні стінки та мембрани галофітів
нестійкі і розпадаються при низьких концентраціях солі; фотосинтез в галофітах
відбувається за участю не хлорофілу, а іншого пігменту, тому кисень як побічний
продукт не утворюється; галобактерії проживали в інших частинах водойм.
Цікаві моменти з інших питань:
Дитинство в сумці
- Розвиток матки як органу для виношування.
- Захист маляти у сумці.
- Поступова адаптація до дорослого життя.
Недоліки:
- Малята народжуються недозрілі: голі, сліпі. Їх потрібно зігрівати, годувати, захищати.
- Якщо маля буде довго добиратися до сумки, мати може поранити його або придушити.
- Інше сосків у сумці менше, ніж новонароджених. Виживуть спритніші.
- За несприятливих умов мати може позбутися маляти – перервати «зовнішню» вагітність.
- У сумці більше ризиків для життя і здоров′я маляти, ніж у матці. Вона не захищає від проникнення чужорідних речовин.
Хто лідер?
Неспецифічний імунітет має такі переваги: діє відразу
при потраплянні інфекції.
Специфічний імунітет має переваги: більш ефективний,
антитіла зберігаються; можна виробити вакцинацією (+ослаблені хвороботворні
організми, щоб перехворіти у слабкій формі і виробився імунітет); можна
створити сироватки з готовими антитілами.
Недоліки специфічного імунітету: виникає через певний
період; можливі аутоімунні реакції (організм сприймає своє як щось чужорідне та
починає боротися. Н-д, тиреоїдит, ревматизм, алергії)
Увага!
Чому саме червоний колір?
- Середовище, через яке проходить світло, неоднорідне, тому короткохвильове світло розсіюється, а довгохвильове – червоне – ні. За будь-якої зміни погоди (туман, дощ, сніг) – видно.
- При сприйнятті всіх інших кольорів (крім червоного) є ахроматичні (без кольору) інтервали, тобто, спочатку сприймається тільки сигнал, а потім вже колір. З червоним такого не спостерігається. Він відразу сприймається як колір, тому це важливе при попереджувальних забарвленнях (сигнал «Небезпека!»)
- При поєднанні з чорним, білим, червоний виглядає контрастнішим.
- Червоне світло має більшу довжину, тому швидше сприймається.
- Червоне активізує симпатичний відділ вегетативної нервової системи, що відповідає за мобілізацію сил. Стимулюється робота мозку, прискорюється частота скорочень серця, дихання. Організм швидше оцінює ситуацію і приймає правильні рішення.
Гладкі довгожителі
- Жирові відкладення сприяють захисту від переохолодження, механічних ушкоджень.
- З віком організм втрачає воду, а жир при окисленні може її дати.
- У жиру відкладаються токсичні речовини, організм так себе очищає.
- Жирові відкладення запасають жиророзчинні вітаміни (А, Д), які при нестачі організм може використати.
- Джерелом енергії для серцевого м′яза є жирні кислоти, а не глюкоза.
- У повних людей кращі захисні сили. Т-лімфоцити активують при контакті з жировими клітинами.
- Повні більш стресостійкі, сальники виробляють речовини типу анальгетиків.
- В худих навколо судин мало жирових відкладень, тому судини ламкі, люди більше страждають запальними процесами.
Немає коментарів :
Дописати коментар