Какие ароморфозы произошли в прокариотических клетках что позволило появлению эукариотических клеток
Какие ароморфозы произошли в прокариотических клетках что позволило появлению эукариотических клеток
Подробное решение параграф § 22 по биологии для учащихся 11 класса, авторов А.В. Теремов, Р.А. Петросова Углубленный уровень 2017
Вопрос. Вспомните, чем отличаются друг от друга прокариотные и эукариотные клетки, автотрофные и гетеротрофные организмы.
Вопрос 1. Чем первые настоящие клетки отличались от пробионтов?
Ответ. Первые настоящие клетки содержали клеточную мембрану, пробионты оболочку, которая впоследствии превратилась в первичную мембрану. Питание первых настоящих клеток было автотрофным и гетеротрофным, у пробионтов только гетеротрофное. Первые клетки содержали ДНК и РНК, тогда как пробионты только РНК
Вопрос 2. Какие ароморфозы произошли в эволюции метаболизма у первых клеток?
Ответ. Крупнейший ароморфоз в развитии жизни на Земле связан с появлением фотосинтеза. Скорее всего первыми фотосинтезирующими организмами были анаэробные бактерии, способные к азотфиксации. Источником энергии им служило Солнце, а источником протонов для восстановления углекислого газа до органических соединений являлся сероводород (такой фотосинтез называют аноксигенным, т. е. бескислородным). Лишь потом организмы, похожие на современные цианобактерии, освоили фотосинтез, в котором источником протонов была вода и в качестве побочного продукта выделялся кислород. Второй ароморфоз – переход к аэробному дыханию. Третий – выход организмов на сушу.
Вопрос 3. Какое значение для развития жизни на Земле имело возникновение фотосинтеза?
Ответ. В ходе эволюции процесс фотосинтеза постепенно усложнялся. Это привело к трём очень важным последствиям, обеспечившим дальнейшее развитие жизни на Земле. Во-первых, стали создаваться запасы органических веществ, необходимые для питания гетеротрофных организмов. Как следствие, возникло множество гетеротрофов.
Во-вторых, в результате фотосинтеза на Земле появился кислород, существенно изменивший условия жизни. Образовались организмы, первоначально способные лишь к простому выживанию в присутствии кислорода. По мере накопления его в атмосфере Земли создались предпосылки для появления клеток с аэробным дыханием, которое энергетически в 19 раз эффективнее, чем брожение. Таким образом, наряду с анаэробным метаболизмом организмы освоили аэробный способ извлечения энергии. В-третьих, кислород в верхних слоях атмосферы сформировал озоновый экран, защитивший поверхность Земли от губительных ультрафиолетовых лучей и создавший условия для выхода организмов из воды на сушу.
Вопрос 4. Какие ароморфозы произошли в эволюции первых одноклеточных организмов?
Ответ. Главнейшие ароморфозы:
1. Функции РНК перешли к молекулам ДНК, так как двухцепочечная структура стабильнее, чем одноцепочечная, и может копироваться с большей точностью. РНК стала выполнять роль посредника между молекулами ДНК и белками в процессе реализации клеткой генетической информации.
2. Появление автотрофного способа питания.
2. Генетический аппарат был обособлен от цитоплазмы и упакован в двойную мембрану. Так сформировалось ядро и возросла устойчивость генетического аппарата клетки. Т.е. появление эукариот.
3. С появлением ядра усовершенствовался биосинтез белка, развились внутриклеточные мембранные структуры (ЭПС, аппарат Гольджи, лисозомы и др.), характерные для клеток эукариот.
4. Появление митохондрий.
Вопрос 5. Охарактеризуйте гипотезы происхождения эукариотных организмов. Какая из гипотез считается более обоснованной? Объясните почему.
Ответ. 1. Гипотеза мембраногенеза, предполагает, что эукариотная клетка возникла из прокариотной путём впячивания её плазмалеммы и образования внутриклеточных мембранных органоидов. В пользу этой гипотезы свидетельствуют данные о двойном строении мембраны ядра, митохондрий и хлоропластов.
2. Симбиотическая гипотезы (гипотеза симбиогенеза). Согласно ей эукариотная клетка возникла в результате нескольких актов симбиоза первичных прокариотных организмов. Одна группа анаэробных гетеротрофных пробионтов вступила в симбиоз с аэробными гететрофными бактериями, и таким образом появились эукариотные клетки, у которых роль энергетических органоидов выполняли митохондрии. Другая группа анаэробных гетеротрофных пробионтов объединилась не только с аэробными гетеротрофными бактериями, но и с первичными фотосинтезирующими цианобактериями. От неё впоследствии образовались эукариотные клетки, у которых роль энергетических органоидов стали выполнять митохондрии и хлоропласты.
Гипотеза симбиогенеза считается более обоснованной. В пользу этой гипотезы также свидетельствует внешнее сходство митохондрий и хлоропластов со свободноживущими бактериями, наличие в этих органоидах собственных ДНК, РНК, рибосом и способность их к полуавтономному существованию внутри клетки.
Вопрос 6. В живом мире наиболее чёткая грань проходит не между растениями и животными, а между прокариотами и эукариотами. Объясните почему.
Ответ. В живом мире наибольшие различия существуют не между растениями, грибами и животными, а между организмами, обладающими ядром (эукариоты) и не имеющими его (прокариоты), к последним обычно относят низшие организмы – бактерии. Все эти одноклеточные и многоклеточные организмы, сходны между собой и имеют общий план строения своих клеток. Различие между прокариотами и эукариотами заключается еще и в том, что первые могут жить как в бескислородной среде (анаэробы), так и в среде с разным содержанием кислорода (аэробы), в то время как для эукариотов, за немногими исключениями, обязателен кислород. Сравнение прокариот и эукариот по потребности в кислороде приводит к заключению, что прокариоты возникли в период, когда содержание кислорода в среде изменилось. Ко времени же появления эукариот концентрация кислорода была высокой и относительно постоянной.
Какие ароморфозы произошли в прокариотических клетках что позволило появлению эукариотических клеток
Подробное решение параграф 7 по биологии для учащихся 11 класса, авторов Теремов А.В., Петросова Р.А. 2017
Вопрос. Вспомните, какое строение имеет прокариотная и эукариотная клетки. Какие процессы метаболизма протекают в клетках?
Метаболизм (от греч. – «превращение, изменение»), или обмен веществ – набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.
Вопрос 1. Чем первые организмы отличались от пробионтов?
Ответ. Первые одноклеточные организмы питались готовыми органическими веществами «первичного бульона», т.е. были гетеротрофами. Постепенное истощение запасов органических веществ вызвало конкуренцию первых одноклеточных организмов за пищевые ресурсы, что ускорило их эволюцию. В клетках стали синтезироваться ферменты, катализирующие образование органических веществ из неорганических, что привело к появлению автотрофного питания. Предполагают, что первые автотрофы были хемосинтезирующими организмами. Крупнейший ароморфоз в развитии жизни на Земле был связан с появлением фотосинтеза.
Вопрос 2. Перечислите основные ароморфозы в эволюции метаболизма у первых организмов. Каковы их последствия для органической эволюции?
Ответ. Главные ароморфозы – появление фотосинтеза, способствовало накоплению кислорода в атмосфере. Следующий ароморфоз – появление эукариот, что способствовало устойчивости генетического аппарата, появлению новых органоидов и усложнению метаболизма. Следующий ароморфоз – появление многоклеточности, что увеличивает шансы на выживание.
Вопрос 3. Расскажите о гипотезах происхождения эукариот?
Ответ. Гипотеза симбиогенеза объясняет возникновение эукариотных клеток как результат нескольких актов симбиоза первичных прокариотных организмов, образовавшихся от пробионтов. Согласно ей, одна группа анаэробных гетеротрофов вступила в симбиоз с первичными фотосинтезирующими цианобактериями и аэробными гетеротрофными бактериями, что привело к образованию растительной эукариотной клетки. Другая группа анаэробных гетеротрофов объединилась только с аэробными гетеротрофными бактериями, в результате чего образовалась животная эукариотная клетка. В пользу этой гипотезы свидетельствует сходство строения митохондрий и хлоропластов с бактериями, наличие в этих органоидах собственных нуклеиновых кислот, рибосом и способность их к полуавтономному существованию внутри клетки.
Вопрос 4. Назовите важнейшие ароморфозы в эволюции первых эукариот?
Ответ. Ароморфоз – крупное эволюционное изменение. Оно обеспечивает повышение уровня организации организмов, преимущества в борьбе за существование, возможность освоения новых сред обитания. Факторы, вызывающие ароморфозы, – наследственная изменчивость, борьба за существование и естественный отбор. Основные ароморфозы в эволюции первых эукариот:
1) появление многоклеточных от одноклеточных, дифференциация клеток и образование тканей;
3) появление полового процесса.
Вопрос 5. На чем основано выделение царств организмов?
Ответ. Выделение царств организмов основано на строении клетки, характере (а также истории) формирования многоклеточного организма, процессах метаболизма.
Вопрос 6. Какие существуют гипотезы происхождения вирусов?
Ответ. Их эволюционное происхождение до сих пор окончательно не выяснено. Есть две гипотезы. Согласно одной из них, вирусы произошли от бактерий, приспособившихся к внутриклеточному паразитизму и утративших в связи с этим свои структуры: мембраны, рибосомы и др. По другой гипотезе, вирусы возникли до появления клеток и первоначально представляли собой примитивные живые существа, обладавшие простейшими жизненными функциями. В процессе эволюции они были поглощены клетками прокариот и эукариот – стали их внутриклеточными паразитами.
Какие ароморфозы произошли в прокариотических клетках что позволило появлению эукариотических клеток
Подробное решение параграф § 23 по биологии для учащихся 11 класса, авторов А.В. Теремов, Р.А. Петросова Углубленный уровень 2017
Вопрос. Рассмотрите рис. 89–94. Чем отличаются друг от друга организмы, изображённые на рисунках? Представителями каких систематических групп они являются?
Вопрос 1. На чём основано выделение среди организмов трёх надцарств? Какие факты свидетельствуют об их эволюционном родстве?
Ответ. В настоящее время большинство учёных считают, что сразу после возникновения первых организмов произошло их разделение на прокариот, эукариот и неклеточные формы жизни. Это разделение основано на наличии или отсутствии клеточного строения, наличия или отсутствия у клеток настоящего оформленного ядра.
Поскольку генетический код у них одинаков, можно предположить наличие общего предка. Он получил название прогенот, т. е. прародитель
Вопрос 2. Какие из современных организмов принадлежат к надцарству Прокариоты? Почему многие представители этого надцарства обитают в экстремальных для жизни условиях?
Ответ. Представителей надцарства Прокариоты (от лат. pro – перед, раньше, вместо и греч. carion – ядро) относят к самым древним организмам нашей планеты. В настоящее время они представлены одноклеточными формами, принадлежащими к царству Дробянки.
Примитивные прокариоты (архебактерии) сохранили значительное сходство с пробионтами. Все они являются анаэробами и приспособились в процессе идиоадаптации к жизни в экстремальных условиях – в горячих и вулканических источниках, солевых растворах (галобактерии) и т. п. Остальные прокариоты (эубактерии, оксифотобактерии) широко распространились по Земле и заняли практически все экологические ниши (рис. 90). Среди них в дальнейшем произошла идиоадаптация по способу питания, в результате чего образовались фототрофные, хемотрофные и гетеротрофные организмы.
Прокариоты могут обитать в экстремальных условиях по ряду причин.
Для прокариот характерны также внехромосомные единицы наследственности – плазмиды. Плазмиды представляют собой кольцевые участки ДНК, свободно расположенные в цитоплазме. Они содержат гены, обеспечивающие, например, устойчивость бактерий к действию антибиотиков.
Надмембранный комплекс поверхностного аппарата прокариотических клеток представлен жесткими стенками, содержащими органическое вещество муреин. Запасные вещества бактериальной клетки – полисахариды (крахмал, гликоген), жиры, сера.
У прокариот отсутствуют мембранные органоиды (митохондрии, пластиды, ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы). Вместо митохондрий и пластид у них имеются мезосомы, представляющие собой впячивания наружной мембраны клетки. На мезосомах протекают процессы клеточного дыхания. Фотосинтез у фотосиитезирующих бактерий происходит в тилакоидах.
Прокариоты характеризуются чрезвычайно высокой устойчивостью к различным воздействиям окружающей среды. Прежде всего это относится к спорообразующим формам бактерий. Споры бактерий являются формой перенесения неблагоприятных условий среды (а не для размножения, как у растений или грибов). При образовании споры бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических изменений: в ней уменьшается количество свободной воды, снижается активность ферментов, протоплазма сжимается и покрывается очень плотной оболочкой. При наступлении благоприятных условий споры набухают и прорастают, образуя новую вегетативную клетку.
Вопрос 3. Какие ароморфозы произошли в эволюции эукариот? Какое значение для развития жизни имели эти эволюционные преобразования?
Ответ. Ароморфозы, которые произошли в эволюции эукариот: митоз, половой процесс и многоклеточность.
1. Митоз. Формирование ядра и появление более сложных по строению хромосом создало предпосылку для развития у эукариот особого способа непрямого деления клетки – митоза, обеспечивающего строго равноценное распределение генетического материала между дочерними клетками. Прокариоты могли делиться только прямым делением (амитозом), т. е. перешнуровкой клетки надвое, при котором генетический материал распределялся не всегда равномерно. Возникновение у эукариот клеточного центра с микротрубочками, формирующими веретено деления клетки и её цитоскелет, сделало этот процесс управляемым и более точным.
2. Половой процесс. у диплоидных клеток вся наследственная информация оказалась удвоенной, т. е. такая клетка по сравнению с гаплоидной стала более устойчивой к различным вредным мутациям. Любое повреждение цепи ДНК у таких клеток восстанавливалось дублирующим участком ДНК гомологичной хромосомы. Во-вторых, диплоидность привела к появлению мейоза – особого типа деления клеток, что резко увеличило возможность наследственной изменчивости организмов. В ходе эволюции этот признак закрепился как полезный. В результате естественного отбора возникли совершенно иные эукариоты, которые большую часть времени пребывали в диплоидном состоянии. Гаплоидная стадия жизненного цикла стала у них кратковременной.
В диплоидных клетках сохранялись в рецессивном состоянии мутации – резерв наследственной изменчивости организмов. Вследствие комбинативной изменчивости резко увеличилась возможность приобретения эукариотами новых признаков в ходе эволюции, в результате чего ускорился её темп.
3. Многоклеточность. Основным способом формирования многоклеточности стало, по-видимому, митотическое деление материнской клетки, не сопровождающееся расхождением образующихся дочерних клеток, т. е. дробление. Процесс сопровождался дифференцировкой, или специализацией, клеток, тканей, органов и систем органов по выполняемым функциям.
Вопрос 4. Клетки некоторых прокариот, например цианобактерий, иногда образуют нестойкие объединения, напоминающие колонии. Настоящая многоклеточность как крупнейший ароморфоз в развитии жизни характерна только для эукариот. Объясните почему.
Ответ. Возникновение многоклеточности – это закономерный процесс в эволюции живых форм, так как при этом организм приобретает ряд преимуществ в борьбе за существование. На заре существования эукариот многоклеточность возникала не единожды. Сегодняшние многоклеточные формы жизни на Земле имеют несколько разных одноклеточных предков. Например, считается, что губки имеют другого одноклеточного предка, в отличие от остальных организмов.
Предками многоклеточных были колониальные формы простейших. В колониях клетки обычно не настолько дифференцированы (если их специализация вообще наблюдается) и при отделении могут существовать независимо.
Настоящая многоклеточность (с выделением тканей) характерна только для эукариот (у прокариот встречаются колонии). Возможно это связано со сложностью генома эукариотических клеток, который обеспечивает гибкость («настраиваемость») клеток, и отсюда способность их изменять свой метаболизм и строение. Важную роль могла сыграть наследственная изменчивость, митоз, мейоз.
Многоклеточность позволяет наиболее полно использовать резерв наследственной изменчивости, что ускоряет эволюционные изменения. Большую роль в этом играет половое размножение, в котором объединены половой процесс и размножение.
Вопрос 5. Какую роль в эволюции могли играть вирусы? Ответ поясните.
Ответ. Эволюционное происхождение вирусов до сих пор окончательно не выяснено. Существует несколько гипотез. Согласно одной из них вирусы произошли от бактерий, приспособившихся к внутриклеточному паразитизму и утративших в связи с этим свои органеллы. По другой гипотезе вирусы возникли до появления клеток и первоначально представляли собой примитивные живые существа, обладавшие простейшими жизненными функциями. В процессе эволюции они были поглощены клетками прокариот и эукариот и стали их внутриклеточными паразитами. Наиболее вероятной считается первая гипотеза.
Эволюционное значение неклеточной формы жизни, по-видимому, заключалось в том, что с её помощью осуществлялся особый способ переноса генетической информации от одного организма к другому, благодаря чему появились прокариотные и эукариотные клетки с новым генетическим материалом и, соответственно, с новыми свойствами. Помимо этого некоторые вирусы вызывают мутации и выступают в эволюции как факторы-мутагены.
Появление эукариот как важнейший ароморфоз. Преимущества эукариотической клетки.
Именно благодаря своей способности формировать, в зависимости от условий, морфологически и функционально различные клетки при неизменном геноме, одноклеточные эукариоты оказались способными в дальнейшем развить, во-первых, сложные жизненные циклы и половое размножение, во-вторых – многоклеточность. Как у простейшего со сложным жизненным циклом, так и у многоклеточного организма один и тот же геном, благодаря сложной системе регуляции экспрессии генов, в разных условиях обеспечивает развитие принципиально разных типов клеток. Способность прокариот к такого рода модификациям на порядок ниже.
Обособление клеточного ядра способствовало также развитию более совершенной системы защиты и репарации ДНК (хотя начаться этот процесс мог еще у археобактерий, обитавших в экстремальных условиях – см. ниже), что привело к резкому снижению частоты мутирования у эукариот по сравнению с прокариотами. Это могло быть важным преимуществом в условиях бескислородной атмосферы архея и протерозоя, когда из-за отсутствия озонового слоя жесткое ультрафиолетовое излучение в поверхностных слоях воды могло приводить к слишком интенсивному мутагенезу. Эффективный механизм репарации, таким образом, мог существенно расширить потенциальную адаптивную зону первых эукариот, сделав возможным для них обитание в лучше освещенных слоях воды.
Огромные преимущества, несомненно, должно было дать эукариотам (и биоте в целом) возникновение полового процесса, что привело к целому комплексу весьма важных последствий: появлению репродуктивной изоляции, эндогамных биологических видов и популяций, ди- и полиплоидности и рекомбинационной изменчивости (подробнее об этом см. в последнем разделе статьи). Следует, однако, иметь в виду, что у первых эукариот, по всей вероятности, еще не было полового процесса. Многие преимущества эукариот могли проявиться лишь впоследствии, в более или менее отдаленной эволюционной перспективе. Для самых первых эукариот, по-видимому, реальное значение имел лишь рост приспособляемости к нестабильной среде за счет развития модификационной изменчивости.
Какие ароморфозы произошли в прокариотических клетках что позволило появлению эукариотических клеток
В чем заключается биологический смысл появления диплоидного набора хромосом в клетках?
1) Появление эукариотической клетки и диплоидного набора хромосом — важнейшие эволюционное преобразование (ароморфоз) в истории земной жизни.
2) Возникновение настоящего полового процесса, то есть слияния двух гаплоидных (содержащих одинарный набор хромосом) клеток – гамет в диплоидную (содержащую двойной набор хромосом) клетку – зиготу, обеспечивает комбинативную изменчивость.
3) Чтобы жизненный цикл эукариот, обладающих половым процессом, мог продолжаться, должен был развиться механизм, посредством которого из диплоидных клеток снова могли образовываться гаплоидные. Таким механизмом стал мейоз – особый вид клеточного деления, при котором число хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое по сравнению с родительской клеткой.
Уменьшение вдвое набора хромосом в гаметах позволяет при оплодотворении восстановить двойной набор хромосом, характерный для вида.
Перекрест и обмен участками гомологичных хромосом увеличивает разнообразие потомства.
При диплоидности признаком управляют два аллеля гена, то есть если мутация рецессивная, она не проявится в большинстве случаев. Диплоидность позволяет сохранять мутации в гетерозиготном состоянии и использовать их как резерв наследственной изменчивости для дальнейших эволюционных преобразований. Многие мутации в гетерозиготном состоянии часто повышают жизнеспособность особей и, следовательно, увеличивают их шансы в борьбе за существование.