Сообщение на тему роль вирусов в жизни организмов и эволюции органического мира на земле
Обновлено: 06.07.2024
Вирусы оказывают более быстрое и
прямое действие на живые
организмы, чем внешние факторы,
которые осуществляют отбор
генетических вариантов.
Многочисленность популяций
вирусов вкупе с их высокой
скоростью репликации и высокой
частотой мутаций превращает их в
основной источник генетических
инноваций, постоянно создающий
новые гены. Какой-нибудь
уникальный ген вирусного
происхождения, путешествуя,
переходит от одного организма к
другому и вносит вклад в
эволюционный процесс.
Вирусы являются важным
естественным средством переноса
генов между различными видами,
что вызывает генетическое
разнообразие и
направляет эволюцию.
Считается, что вирусы сыграли
центральную роль в ранней
эволюции, ещё до
расхождения бактерий, архей и
эукариот. Вирусы и по сей день
остаются одним из крупнейших
живых хранилищ неисследованного
генетического разнообразия на
Земле.
Вирусы имеют генетические связи
с представителями флоры и
фауны Земли. Согласно последним
исследованиям, геном
человека более чем на 32 %
состоит из вирусоподобных
элементов, транспозонов и их
остатков.
С помощью вирусов может
происходить так
называемый горизонтальный
перенос генов (ксенология), то
есть передача генетической
информации не от
непосредственных родителей к
своему потомству, а между двумя
неродственными (или даже
относящимися к разным видам)
особями. Так, в геноме
высших приматов существует ген,
кодирующий белок синцитин,
который, как считается, был
привнесён ретровирусом.
Вывод
Во-первых, вирусы - мощный мутагенный
фактор. После вирусных заболеваний
(инфекционная желтуха, корь, грипп,
энцефалит и др.) у человека и животных
резко возрастает число поврежденных
хромосом. (Таким образом, вирусы
являются поставщиками новых мутаций
для естественного отбора).
Во-вторых, геном вируса может включаться в
геном хозяина, и вирусы могут переносить
генетическую информацию не только от
одной особи данного вида к другой, но и от
одного вида к другому. (Экспериментально
показано, что с помощью вирусов участки ДНК
от одного вида могут передаваться другому
виду).
Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!
Все живое на Земле насыщенно различными вирусами, свидетельствует об их необходимости в живой природе и важные функции в биосфере.
Вирусы играют ключевую биологическую роль на всех уровнях организации жизни. Они определяют эволюцию организмов благодаря своей патогенности, способности к антагонистических и симбиотических отношений и участия в горизонтальном переносе генов.
Патогенные вирусы являются движущей силой эволюции иммунной системы. Каждый живой организм, от кишечной палочки, хлореллы, дрожжей до синего кита или секвойи, может инфицироваться по крайней мере одним, а обычно несколькими вирусами. Вирусными заболеваниями растений является желтуха, мозаичные болезни, строкатолистисть, готика и др. У человека вирусы вызывают гепатит В, простой герпес, папиллому, натуральную оспу (ДНК-содержащие вирусные инфекции), грипп, гепатит А, энцефалит, корь, свинку, полиомиелит, бешенство, СПИД (РНК-содержащие вирусные инфекции) и др. Наиболее распространенными вирусными заболеваниями животных является ящур, чумка собак, чумка кур и др.
Вирусная инфекция является мощной силой, которая формирует механизмы защиты хозяев. Например, модификации поверхности клеток с целью предотвращения проникновения бактериофага, система CRISPR бактерий и архей, гуморальный и клеточный иммунитет человека и тому подобное. В процессе эволюции вирусы производят свои способы защиты от иммунной системы. Например, они способны блокировать работу NK-киллеров, интерферона Т-лимфоцитов.
Благодаря патогенности вирусы регулируют численность своих хозяев (например, ДНК-содержащие вирусы морских водоемов регулируют количество бактерий) и влияют на процесс фотосинтеза в Мировом океане, круговорот углерода и даже на погоду. Так, биогенные сульфуровмисни газы высвобождаются из-за того, что вирусы убивают определенные виды водорослей. Затем в атмосфере в результате окисления образуются кислотные капельки, которые служат ядрами конденсации для облаков.
В процессе эволюции сформировались не только антагонистические, но и симбиотические отношения вирусов с другими организмами. Так, мутуализм вируса и гриба позволяет просу выдерживать высокие температуры. Вирус вьющихся закручивания табака увеличивает плодовитость и продолжительность жизни насекомых-белокрылок в 12 и 6 раз соответственно, если они питаются на зараженных вирусом растениях табака.
Итак, вирусы являются мощным эволюционным фактором, и каждая форма жизни на Земле испытывала и испытывает влияние вирусов в прошлом и настоящем.
Биологическая эволюция — это естественный процесс развития живой природы, который сопровождается изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.
Этот процесс касается всех изменений в биосфере за время существования планеты Земля. Согласно современной синтетической теории эволюции все эволюционные изменения происходят под действием ряда факторов. К ним относят:
наследственная изменчивость;
борьбу за существование;
естественный отбор;
адаптацию;
популяционные волны;
изоляцию;
мутации;
дрейф генов.
Основателями биосферы являются – бактерии и археи, вирусы. По крайней мере, так обозначено в составленном биологами древе жизни. При этом древнейшими считаются бактерии и археи. Так как нет окончательного мнения насчет того, считать ли вирусы живыми, то роль вирусов в формировании и эволюции биосферы фактически не учитывается (игнорируется).
На сегодня описаны более 6 тысяч видов вирусов, хотя предполагают, что их существует более ста миллионов. Вирусы обнаружены почти в каждой экосистеме на Земле, они являются самой многочисленной биологической формой. Вирусы поражают все типы организмов, от растений и животных до бактерий и архей (вирусы бактерий обычно называют бактериофагами). Геномы большинства видов позвоночных содержат от сотен до тысяч последовательностей полученных от древних ретровирусов.
Если вирусами (ретровирусами) были заражены первичные бактерии и археи, то роль вирусов в эволюции живого фактически выходит на первый план, так как вирусы становятся таким же естественным фактором генетической изменчивости организмов (включая мутации), как физические (радиация различного вида) и химические (геохимические) факторы.
Следует сразу отметить, что микроорганизмы в силу своих размеров наиболее быстро реагируют на изменения в окружающей среде (изменение физических и геохимических параметров). Множество вирусов, в частности РНК-вирусы, имеют маленький период размножения и повышенную частоту мутаций (одна точечная мутация или более на геном за один раунд репликации РНК вируса). Такая повышенная частота мутаций, в случае комбинации с естественным отбором, позволяет вирусам быстро адаптироваться к изменениям в окружающей среде. Это приводит к тому, что вирусы демонстрируют огромное количество вариантов организации генома: в этом смысле они более разнообразны, чем растения, животные, археи и бактерии.
Сейчас генетики считают, что большая часть генетического аппарата содержит информацию об изменения окружающей среды.
Как выше было сказано, на сегодня описаны более 6 тысяч видов вирусов, которые относят к патогенным или паразитарным. Совершенно очевидно, что вирусы (так называемые – патогенные) играют видную роль в естественном отборе вместе с иными патогенными микроорганизмами. Патогенные микроорганизмы убирают из биосферы неустойчивые в данных конкретных условиях окружающей среды живые организмы (т.е. организмы с пониженным иммунитетом, в том числе стареющие). Организмы с хорошим иммунитетом не только выживают, но и изменяют сами вирусы. То есть идет взаимное совершенствование.
Одна из важнейших функций микроорганизмов - это связь биосферы и геосферы в обмене веществ: микроорганизмы поставляют из геосферы в биосферу питательные элементы развивающимся многоклеточным организма, а из биосферы в геосферу различные компоненты путем разложения отживших организмов. Это важнейшая функция – осуществление кругооборота веществ в условиях ограниченности веществ параметрами Земли.
Вирусы, наряду с бактериями, участвуют в горизонтальном обмене генов организмов.
Сегодня микробиологи используют вирусы для создания генномодифицированных организмов, тем самым признавая фактически вирусы в качестве эволюционного фактора.
Таким образом, вирусы можно считать одним из важнейших первичных эволюционных факторов, которые однозначно влияют на генетическую изменчивость, адаптацию и естественный отбор.
Представлены современные сведения о происхождении и таксономии вирусов. Рассмотрены генетическое разнообразие и распространение вирусов в биосфере и их роль в эволюции всего живого на Земле.
Вирусы – наиболее многочисленные и генетически разнообразные организмы на Земле. Они распространены повсеместно (убиквитарны ) и поражают все живые существа. Вирусы являются неклеточными формами жизни, способными размножаться в клетках прокариот (безъядерные организмы) и эукариот (ядерные организмы), используя их биосинтетический аппарат. Вирион (вирусная частица) – это покоящаяся стадия жизненного цикла вируса. Основная активная стадия жизни вируса проходит в зараженной клетке. Вне клетки вирусы не проявляют признаки живого – мертвые как камень [7, 11].
Первый вирус – вирус табачной мозаики был открыт Д.И. Ивановским 128 лет назад (1892 г.). В 1897 г. немецкие исследователи Ф. Леффер и П. Фрош открыли первый вирус животных – вирус ящура. В последующие 50 лет обнаружили более 40 видов вирусов, поражающих человека, животных, насекомых, растения и бактерии. Во второй половине ХХ века было открыто свыше 2000 видов вирусов [9, 11].
Таксономия вирусов
Все вирусы по своим фундаментальным признакам группируются независимо от круга естественных хозяев. Главными из них являются тип и структура нуклеиновой кислоты, стратегия вирусного генома (способ репликации), симметрия нуклеокапсида (спиральная , кубическая, смешанная), наличие или отсутствие липопротеиновой оболочки. В таксономии вирусов используют пять таксонов: порядок, семейство, подсемейство, род и вид [11, 12].
В настоящее время известно более 8000 видов вирусов позвоночных, беспозвоночных, простейших, растений, грибов, водорослей, бактерий и архей, из которых 4853 классифицированы и распределены в 9 порядках, 131 семействе, 46 подсемействах, 803 родах и свыше 3000 не классифицированы [15]. Возможно, на нашей планете существуют миллионы видов вирусов.
Для открытия новых вирусов широко используется метагеномный подход, который основан на секвенировании всей ДНК и РНК, содержащейся в пробе, и обработке данных биоинформационными методами. Нет необходимости в изоляции и культивировании возбудителя. Анализ метагеномных данных проводится путем поиска гомологичных последовательностей среди геномов известных вирусов, депонированных в базе геномных данных. Число известных вирусов, вероятно, составляет менее 1% от вирома (всех вирусов) [1, 13].
Подавляющее большинство вирусов находится в Мировом океане и размножается в планктоне – совокупности организмов, населяющих морскую воду. В одном литре морской воды содержится до 10 миллиардов вирусных частиц, а общее их количество в Мировом океане составляет астрономическое число – 10 30 , масса которых оценивается в 8 х 10 12 кг (в 10 раз больше массы всего человечества). Число вирусных частиц на Земле – 10 33 , а число бактерий – 10 31 [4, 9].
Вирусы размножаются внутри клеток дизъюнктивным способом, т.е. разобщенным во времени и пространстве синтезом их структурных компонентов (нуклеиновых кислот и белков), из которых формируются вирионы потомства. Синтез вирусных белков осуществляется на клеточных рибосомах из аминокислот клетки, а нуклеиновых кислот – из клеточных нуклеотидов. Источником энергии для биосинтетических процессов является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ ), вырабатываемая в митохондриях клеток [3, 12].
Происхождение вирусов
Первая гипотеза мало убедительна из-за отсутствия кандидата на роль протовируса и большое разнообразие геномов у вирусов. Вторая самая популярная и наиболее аргументированная. Вирусы, вероятно, возникли раньше клеток. Третья гипотеза достаточно убедительна в отношении ДНК-содержащих вирусов.
Разнообразие генетического материала у вирусов свидетельствует об их полифилетическом (от нескольких предков) происхождении. Полагают, что оно было не единовременным событием, а многократным. Вероятно, РНК-содержащие вирусы произошли из самореплицирующихся молекул РНК (мира РНК) в доклеточный период. Более 4 млрд лет назад молекулы РНК выступали в качестве носителей информации и катализаторов химических реакций. Возможно, вирусы эукариот произошли из генов эукариот, в то время как бактериофаги – из генов бактерий. РНК-содержащие плюс-геномные вирусы могли произойти из клеточных информационных РНК, которые приобрели РНК-полимеразную активность, а ДНК-содержащие вирусы – из транспозонов (мобильных генетических элементов) эукариот, или бактериальных плазмид.
У недавно открытого вируса амеб (мимивируса ) имеются клеточные гены для компонентов трансляционного комплекса и факторов инициации транскрипции. Диаметр вирионов составляет 750 нм, что превышает размеры некоторых бактерий. Геном мимивируса состоит из линейной двунитевой молекулы ДНК длиной 1,2 млн пар нуклеотидов и кодирует около 1000 белков. У двух гигантских вирусов (пандоравирусов ), открытых в 2013 г., длина генома составляет 1,9 и 2,5 млн пар нуклеотидов. Больший геном кодирует 2500 белков. Эти вирусы видимы под световым микроскопом [9, 17]. Открытие гигантских вирусов размыло границы между вирусами и бактериальными клетками в отношении их размера и длины геномной ДНК.
Биосфера
Биосфера – оболочка Земли, заселенная живыми организмами и преобразованная ими. Она начала формироваться 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые живые организмы. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (20 -25 км), верхнюю часть литосферы (2 -5 км) и всю гидросферу. Современная биосфера возникла в результате длительной эволюции. В биосфере обитает 8,7 млн видов живых организмов (эукариот ). Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4 х 10 18 г (в пересчете на сухое вещество). Биомасса подземных микробов сравнима со всей биомассой суши, включая деревья. Целостное учение о биосфере создал биогеохимик В.И. Вернадский. Он впервые отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля [2].
На основании нуклеотидной последовательности рибосомных РНК многих тысяч видов все живые организмы в биосфере подразделяют на три домена (надцарства ): археи, бактерии и эукариоты [19]. Археи и бактерии относятся к прокариотам – организмам без ядра, митохондрий и других внутриклеточных структур. Их геном находится в цитоплазме и представлен кольцевой молекулой ДНК. У прокариот нет полового размножения, в их жизненном цикле отсутствует фаза образования половых клеток и их слияния с образованием зиготы – диплоидной клетки с двумя копиями генома. Археи сильно отличаются от бактерий на молекулярном уровне (нуклеотидной последовательности геномов, строению клеточной мембраны и рибосом), не образуют спор, часто встречаются в гидротермальных источниках и среди них нет возбудителей инфекционных заболеваний [8, 10].
Эукариоты – организмы, в клетках которых есть ядро, митохондрии и множество других сложных внутренних структур. К эукариотам относятся разнообразные одноклеточные организмы (амебы , инфузории, радиолярии и др.) и многоклеточные – грибы, растения и животные. Все они имеют общее происхождение. В жизненном цикле эукариот есть половое размножение. Половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды) образуются путем мейоза – особого способа деления клеток, в результате которого из одной исходной диплоидной клетки (с двумя наборами хромосом) образуются четыре дочерние гаплоидные клетки (с одним набором хромосом). Слияние двух половых клеток (яйцеклетки и сперматозоида) называют оплодотворением и образующаяся зигота размножается путем митоза, при котором в родительской и дочерней клетках сохраняется диплоидный набор хромосом [7, 8].
Большая часть видов (90 %), обитавших на Земле, вымерла. Вероятно, вымирание – судьба любого вида. Современные темпы вымирания весьма высокие и к середине XXI века может исчезнуть до 30% видов. Деятельность человека является главной причиной нынешнего вымирания видов.
Структура геномов живых организмов
Геном любого организма (от бактерий до млекопитающих) представляет собой двунитевую ДНК, состоящую из четырех нуклеотидов: аденина, гуанина, тимина и цитозина. В свою очередь нуклеотиды состоят из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и фосфата. Основания в двунитевой ДНК образуют комплементарные пары: аденин всегда находится в паре с тимином, а гуанин всегда связан с цитозином. У вирусов геном может быть представлен или ДНК (ДНК -содержащие вирусы) или РНК (РНК -содержащие вирусы). В клеточных РНК (информационных , рибосомных, транспортных) и вирусных РНК вместо тимина используется урацил.
Генетический код (система записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов) универсален для всех живых существ, то есть он един. Он состоит из 64 кодонов (триплетов нуклеотидов): 61 из них кодирует 20 аминокислот и 3 являются терминирующими. Большинство аминокислот кодируются не одним, а несколькими вариантами (от 2 до 6) кодонов (вырожденность генетического кода). Считывание генетической информации происходит в результате транскрипции – синтеза информационной РНК на матрице ДНК на основе комплементарности – и трансляции – синтеза на рибосомах белка, в котором порядок аминокислот соответствует порядку кодирующих триплетов информационной РНК [5].
Основные этапы эволюции жизни на Земле
Первые одноклеточные безъядерные организмы (прокариоты – археи и бактерии) возникли 3,5 млрд лет назад. Они приспособились к разным условиям обитания. Бактерии расселились по поверхности суши и океанов и совершенствовали механизмы использования энергии света, а археи осваивали подземные местообитания и питались неорганическими веществами, выходящими из глубин Земли. Археи похожи на бактерии, но отличаются от них по нуклеотидной последовательности генов, строению рибосом, клеточной стенки и мембраны. Эволюционные линии архей и бактерий разделились на заре клеточной жизни. Первые ископаемые, очень похожие на цианобактерии, были обнаружены в осадочных породах, возраст которых составлял 3,4 млрд лет. Кислородные фотосинтезирующие бактерии (цианобактерии , сине-зеленые водоросли) появились 2,5-2,7 млрд лет назад. С появлением кислорода стало возможным возникновение эукариот – ядерных организмов.
Первые ядерные одноклеточные организмы возникли 2,0-2,4 млрд лет назад. Они произошли путем слияния архейного предка и альфа-протеобактерии. Последняя дала начало митохондриям, обеспечивающим организм энергией. Эукариоты способны к фагоцитозу – поглощению твердых частиц из внешней среды внутрь клетки. Приобретение фагоцитоза – ключевое событие в эволюции эукариот. Археи и бактерии не способны к фагоцитозу и поглощают из внешней среды только растворенные вещества. Появление эукариотической клетки было таким же крупным эволюционным событием, как переход от РНК-мира к первым клеткам (прокариотам ). В дальнейшем из эукариотической клетки развились все высшие формы жизни – животные, растения, грибы и протисты (одноклеточные эукариоты). В последующем роль симбиоза в развитии жизни не снижалась. Важные функциональные блоки современной биосферы держатся на симбиозе или симбиотических комплексах: симбиотические бактерии и одноклеточные эукариоты переваривают клетчатку у растительноядных животных, азотофиксирующие бактерии в кооперации с растениями способны переводить азот из атмосферы в доступную для растений форму (аммоний ). Самые первые наземные растения жили в симбиозе с грибами [8].
Первые млекопитающие появились 250 млн лет назад почти одновременно с первыми динозаврами, однако господство на суше они получили после вымирания древних (мезозойских ) рептилий 65 млн лет назад. Млекопитающие пережили собственный эволюционный взрыв и стали наиболее распространенными на Земле. Сейчас насчитывают 5506 видов млекопитающих [7, 8, 10].
Факторы эволюции
Важнейшими факторами эволюции являются изменения в последовательности нуклеотидов в геномах любых организмов и естественный отбор. Элементарной единицей эволюции служит популяция организмов. Изменения в последовательности нуклеотидов возникают в результате мутаций, рекомбинаций, горизонтального переноса и дупликации генов [5]. Спонтанные мутации обусловлены случайными изменениями в последовательности нуклеотидов и возникают из-за ошибок ферментов во время репликации ДНК. Возможны замены, выпадения (делеции ), вставки (инсерции ) и перестановки пар нуклеотидов в молекулах ДНК. Скорость мутирования определяют по числу мутаций на нуклеотид за репликацию.
Рекомбинация – обмен участками гомологичных хромосом в процессе мейоза – специального деления клеток с образованием половых клеток с гаплоидным набором хромосом. В основе гомологичной рекомбинации молекул ДНК лежит точное соответствие гомологов и функционирование ряда ферментов, которые разрезают, воссоединяют и восстанавливают молекулы ДНК. В результате рекомбинации происходит перераспределение генов и образование новых интегрированных генотипов, которые играют важную роль в эволюции.
Горизонтальный (латеральный ) перенос генов (ГПГ ) представляет собой передачу генетического материала от одних одновременно существующих организмов другим. Он широко распространен у прокариот (архей и бактерий) и осуществляется путем трансдукции, трансформации и конъюгации. Трансдукция связана с переносом генов бактериольного генома из одной клетки в другую с помощью вирусов (фагов ). Трансформация осуществляется путем поглощения бактерией фрагмента ДНК из окружающей среды и встраивания его в свой геном. При конъюгации бактерия-донор передает бактерии-реципиенту часть своего генома при помощи специальных белковых трубочек – конъюгационных пилей. ГПГ возможен между организмами всех трех доменов – архей, бактерий и эукариот. Очень редко в ГПГ вовлекаются гены, ответственные за репликацию, транскрипцию и трансляцию.
Дупликация генов – один из главных путей эволюции для всех форм жизни и играет важную роль в эволюции эукариот. После дупликации одна из двух копий может мутировать и выполнять другую функцию.
Все изменения в последовательности нуклеотидов от простых точечных мутаций до различных перестроек генов являются исходным материалом для эволюции [5, 8].
Роль вирусов в биосфере
Вирусы – это самый успешный биологический вид и самая крупная популяция на Земле. Нет ни одного живого существа без вирусов. Подавляющее большинство уникальной генетической информации в биосфере является вирусной. Они создали хранилище генетического разнообразия планеты. В вирусных геномах больше генетической информации, чем в геномах всех живых организмов вместе взятых [6, 7, 9].
Представление о вирусах, как только о возбудителях болезней, далеко от действительности. Абсолютное большинство вирусов не приносит видимого вреда хозяевам (вирусы -симбионты). С их помощью происходит обмен генетической информацией между различными биологическими видами. Они выступают в качестве основного переносчика генов в биосфере. На развитие каждого биологического вида в течение эволюции вирусы оказывали решающее влияние. Они являются драйверами (двигателями ) эволюции [3, 6, 16, 18].
Заключение. Вирусы составляют значительную и очень разнообразную часть биосферы. Общее количество вирусных частиц на планете оценивается в 10 33 – это миллионы различных видов вирусов. Они являются резервуаром генетического разнообразия и драйверами эволюции всего живого на Земле.
Читайте также: