Как шла эволюция растительной и животной клетки кратко

Обновлено: 18.05.2024

Прокариотические клетки появились на Земле приблизительно 3,5 млрд. лет назад в результате спонтанного образования органических молекул и продолжительной эволюции (гипотеза А.И. Опарина).

Появление ферментативных (каталитических) молекулярных механизмов стало решающим этапом в этом процессе.

В первых клетках использовались каталитические свойства белков и РНК, а в качестве вещества наследственности в них содержалась только РНК. Структура и функции клеток усложнялись, накоплялись дополнительные каталитические белки и в результате молекулу РНК заменила двухцепочная ДНК, которая сохраняла генетическую информацию.

Происхождение эукариотических клеток объясняют симбиотической гипотезой, согласно которой клеткой-хозяином был анаэроб. Переход к аэробному дыханию связан с проникновением аэробных бактерий в клетку – хозяина и сосуществование с ней в виде митохондрий.

Зелёные растения благодаря наличию в них хлоропластов способны к фотосинтезу. Считают, хлоропластам дали начало прокариотические синезелёные водоросли, которые являлись симбионтами клетки-хозяина. Основным аргументом в пользу симбиотической гипотезы является наличие в митохондриях и хлоропластах собственной ДНК.

Производными внешней мембраны клетки, способной ветвиться, является система внутриклеточных мембран, образующих гладкую и зернистую эндоплазматические сети, комплекс Гольджи, ядерную оболочку.

Достаточно сложным является вопрос о происхождении генетического материала ядра. Предполагают, что оно так же образовалось из симбиотических прокариот. Наверное, количество ядерной ДНК увеличивалось постепенно – генетический материал перемещался из геномов симбионтов в ограниченный мембраной участок клетки.

Очень важно и возникновение митоза как механизма равномерного распределения генетического материала и воспроизведения клеток. В ходе дальнейшей эволюции появился ещё один механизм деления клеток – мейоз, благодаря чему решилась проблема размножения многоклеточных организмов. Переход к половому размножению содействовал появлению комбинативной изменчивости, а при этом существенно увеличилась скорость эволюции.

Готовые работы на аналогичную тему

Благодаря этим процессам за 1 млрд. лет эволюции эукариотический тип клеточной организации обусловил разнообразие живых организмов от простейших к человеку.

Эволюция клетки прокариот

На основании изучения ископаемых останков бактерий и цианобактерий предполагают, что изначальной клеточной формой была примитивная прокариотическая клетка, которая возникла около 3,5 млрд лет назад.

Клетки такого типа для обеспечения своего существования сначала использовали органические молекулы небиологического происхождения. Первым шагом в формировании примитивной клетки было образование мембраны, окружающей клеточное вещество.

В дальнейшем у примитивных прокариот в клетках развились механизмы синтеза и энергетического обеспечения. Предположительно, что первые прокариотические клетки имели самые простые каталитические системы, в результате чего обеспечение их энергией базировалось на брожении.

Далее у отдельных видов прокариот клетки перешли из процесса брожения на процесс дыхания, что способствовало более эффективому получению энергии.

Эволюция клетки эукариот

Изменения клеток эукариот в процессе эволюции шли путём возрастания разнообразия форм, структуры и функций с одновременной компартментализацией биохимических систем и сохранением общего для всех клеток аэробного метаболизма.

Предположительно, что эукариотические клетки возникли из прокариотических менее 1 млрд. лет назад.

Для объяснения их происхождения выдвинуто четыре гипотезы.

Согласно одной из этих гипотез (гипотезы клеточного симбиоза), наиболее распространённой, предполагают, что эукариотическая клетка является симбиотической структурой, которая состоит из нескольких клеток различных типов, окружённых общей мембраной. В частности, предполагают, что пластиды в клетках современных зелёных растений берут начало от бактерий, предков современных цианобактерий, способных к аэробному фотосинтезу, а митохондрии эукариотических клеток берут начало от аэробных бактерий, которые вступали в симбиоз с примитивными анаэробными клетками, способными к фотосинтезу, что вызвало образование клеток, способных к существованию в кислородной атмосфере и к использованию кислорода путём дыхания.

Относительно ядра предполагают, что оно является рудиментом так же какого-то внутриклеточного симбионта, который потерял свою цитоплазму после включения в исходную клетку.

Этой гипотезе соответствуют и данные о временных симбиотических связях некоторых организмов.

Одноклеточная зелёная водоросль хлорелла (Chlorella) живёт в цитоплазме зелёного лишайника парамеции (Paramecium bussaria). Благодаря способности к фотосинтезу она поставляет парамеции питательные вещества.

В пластидах и митохондриях содержится собственная система генетической информации о синтезе белков в виде ДНК, тРНК, мРНК, рРНК и соответсвующих ферментов.

Для хлоропластов и митохондрий прокариот характерны схожие способы репродукции (все они одинаково размножаются путём простого деления надвое).

Согласно другой гипотезе считают, что эукариотическая клетка образовавшаяся от клетки прокариот, содержала несколько геномов, прикреплённых к клеточной мембране.

В результате впячивания клеточной мембраны внутрь цитоплазмы образовывались мезосомы, которые первоначально могли фотосинтезировать. Но в дальнейшем эти органеллы специализировались: одна утратила способность к дыханию и фотосинтезу и преобразовалась в ядро, а другие, наоборот, эти функции развивали и дали начало митохондриям и пластидам.

Подтверждением этой гипотезы является двойное строение мембран ядра, пластид и митохондрий.

Третья гипотеза базируется на информации о происхождении всех живых форм от предковых анаэробных гетеротрофов. Эукариоты являются сублинией бесстеночных (анаэробных) прокариот способных к эндоцитозу.

Согласно четвёртой гипотезе припускают, что клетки эукариот возникли из клеток прокариот, содержали много распадающихся на части геномов, которые дали начало структурам с различными функциями. В дальнейшем шло клонирование структур с подобными функциями. После чего они покрывались двойными мембранами, образовались ядро, митохондрии, а позже и мембранная сеть. Есть данные и о схожести содержащегося в митохондриальной и ядерной ДНК генетического кода, а так же подобие в регуляции дыхательной функции ядра и митохондрий.

Как сказано выше, сейчас наиболее популярной является симбиотическая гипотеза происхождения эукариотических клеток. Однако, соглашаясь с этой гипотезой, нельзя не отметить, что митохондрии и хлоропласты вопреки их подобности с временными бактериями-аэробами и цианобактериями всё же имеют существенные отличия. В частности, в митохондриях и хлоропластах намного меньше ДНК, чем в клетках бактерий.

В ходе эволюции хлоропласты и митохондрии подверглись значительным изменениям в направлении своих размеров.

Далее развитие генома эукариот шло путём объединения молекул ДНК и белков. При этом формировался хроматин и хромосомы различной формы и в разном количестве. Происходила специализация хроматина: формировался эухроматин и гетерохроматин, формировались аутосомы и половые хромосомы. Пока что тяжело объяснить эволюционную тенденцию количества хромосом, поскольку в клетках многих примитивных организмов содержится большее число хромосом, чем в клетках более эволюционно развитых организмов. Однако несомненно, структурные и количественные изменения в кариотипах имели важное значение в образовании новых видов. Параллельно и усложнялись структура и функции компонентов клетки компонентов, развитие регуляторных механизмов.

Несомненно и эволюционное значение митоза. Точность распределения хромосом в процессе митоза - это условие, благодаря которому обеспечивается многоклеточность. Однако нет достаточных объяснений происхождения самого. Предположительно, что развивался он из примитивного митоза, при котором в процессе расхождения реплицировавшихся хромосом ядерная мембрана не разрушается.

1.27. Основные этапы эволюции растительного и животного мира

Эволюция растений

Основные условия и этапы эволюции растении:

в протерозойской эре широко распространены одноклеточные аэробные организмы (цианобактерии и зеленые водоросли);
образование почвенного субстрата на суше в конце силурийского периода;
возникновение многоклеточности, которая делает возможным специализацию клеток в пределах одного организма;
освоение суши псилофитами;
от псилофитов в девонском периоде возникла целая группа наземных растений — мхов, плаунов, хвощей, папоротников, размножающихся спорами;
от семенных папоротников в девоне произошли голосеменные растения. Возникшие необходимые для семенного размножения структуры (например, пыльцевая трубка) освободили половой процесс у растений от зависимости от водной среды. Эволюция шла по пути сокращения гаплоидного гаметофита и преобладания диплоидного спорофита;
каменноугольный период палеозойской эры отличается большим разнообразием наземной растительности. Распространились древовидные папоротникообразные, образовавшие каменноугольные леса;
в пермский период древние голосеменные стали господствующей группой растений. В связи с появлением засушливого климата исчезают гигантские папоротники, древовидные плауны;
в меловом периоде начинается расцвет покрытосеменных, продолжающийся до сего дня.

Основные особенности эволюции растительного мира:

переход к преобладанию диплоидного поколения над гаплоидным;
развитие женского заростка на материнском растении;
переход от сперматозоидов к впрыскиванию мужского ядра через пыльцевую трубку;
расчленение тела растений на органы, развитие проводящей сосудистой системы, опорных и защитных тканей;
совершенствование органов размножения и перекрестного опыления у цветковых в связи с эволюцией насекомых;
развитие семени для защиты эмбриона от неблагоприятных влияний внешней среды;
возникновение разнообразных способов распространения семян и плодов.

Эволюция животных

Самые древние следы животных относятся к докембрию (свыше 800 млн лет). Предполагается, что они произошли либо от общего ствола эукариот, либо от одноклеточных водорослей, подтверждением чего является существование эвглены зеленой и вольвокса, способных как к автотрофному, так и к гетеротрофному питанию.

В кембрийском и ордовикском периодах преобладают губки, кишечнополостные, черви, иглокожие, трилобиты, появляются моллюски.

В ордовике появляются бесчелюстные рыбоподобные организмы, а в силуре — рыбы, обладавшие челюстями. От первых челюстноротых возникли лучеперые и кистеперые рыбы. Кистеперые имели в плавниках опорные элементы, из которых позже развились конечности наземных позвоночных. Из этой группы рыб возникли амфибии и затем другие классы позвоночных.

Наиболее древние амфибии — жившие в девоне ихтиостеги. Расцвет амфибий произошел в карбоне.

От амфибий ведут свое начало рептилии, завоевавшие сушу в пермском периоде, благодаря появлению механизма засасывания воздуха в легкие, отказу от кожного дыхания, появления покрывающих тело роговых чешуй и оболочек яиц, защищающих эмбрионы от высыхания и других воздействий среды. Среди рептилий предположительно выделилась группа динозавров, давшая начало птицам.

Первые млекопитающие появились в триасовом периоде мезозойской эры. Основные прогрессивные биологические особенности млекопитающих — вскармливание детенышей молоком, теплокровность, развитая кора головного мозга.

Особенности эволюции животного мира:

прогрессивное развитие многоклеточности и, как следствие, специализации тканей и всех систем органов;
свободноподвижный образ жизни, который определил выработку различных механизмов поведения, а также относительную независимость онтогенеза от колебаний факторов внешней среды. Развивались и совершенствовались механизмы внутренней саморегуляции организма;
возникновение твердого скелета: наружного у ряда беспозвоночных — иглокожих, членистоногих; внутреннего у позвоночных. Преимущества внутреннего скелета заключаются в том, что он не ограничивает увеличение размеров тела.

Прогрессивное развитие нервной системы стало основой для возникновения системы условных рефлексов и совершенствования поведения.

Эволюция животных привела к развитию группового адаптивного поведения, что стало основанием для появления человека.

Химический этап начался около 4,5 млрд лет назад. Под действием ультрафиолетового излучения, радиации, грозовых разрядов (источники энергии) происходило образование сначала простых химических соединений – мономеров, а затем более сложных – полимеров и их комплексов (углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот).

Биологический этап образования клеток начинается с появления пробионтов – обособленных сложных систем, способных к самовоспроизведению, саморегуляции и естественному отбору. Пробионты появились 3-3,8 млрд. лет назад. От пробионтов произошли первые прокариотические клетки – бактерии. Эукариотические клетки произошли от прокариот (1-1,4 млрд. лет назад) двумя путями:

1)Путем симбиоза нескольких прокариотических клеток – это симбиотическая гипотеза;

2)Путем инвагинации клеточной мембраны. Суть инвагинационной гипотезы заключается в том, что прокариотическая клетка содержала несколько геномов, прикрепленных к клеточной оболочке. Затем происходила инвагинация – впячивание, отшнуровка клеточной мембраны, и эти геномы превращались в митохондрии, хлоропласты, ядро.

Дифференциация и специализация клеток.

Дифференциация – это формирование различных типов клеток и тканей в ходе развития многоклеточного организма. Одна из гипотез связывает дифференцировку с экспрессией генов в процессе индивидуального развития. Экспрессия – процесс включения тех или иных генов в работу, который создает условия для направленного синтеза веществ. Поэтому происходит развитие и специализация тканей в том или ином направлении.

Строение ядра. Деление клетки

План

1.Строение и функции клеточного ядра.

2.Хроматин и хромосомы.

3.Клеточный и митотический циклы клетки.

Строение и функции клеточного ядра.

Ядро – обязательная часть эукариотической клетки. Главная функция ядра – хранение генетического материала в форме ДНК и передача ее дочерним клеткам при клеточном делении. Кроме того, ядро управляет белковыми синтезами, контролирует все процессы жизнедеятельности клетки. ( в растительной клетке ядро описал Р.Броун в 1831г., в животной – Т.Шванн в 1838г.)

Большинство клеток имеет одно ядро, обычно округлой формы, реже неправильной формы.

Размеры ядра колеблются от 1мкм (у некоторых простейших) до 1мм (в яйцеклетках рыб, земноводных).

Встречаются двуядерные клетки (клетки печени, инфузорий) и многоядерные (в клетках поперечно – полосатых мышечных волокон, а так же в клетках ряда видов грибов и водорослей).

Некоторые клетки (эритроциты) – безъядерные, это редкое явление, носит вторичный характер.

В состав ядра входят:

4)хроматин или хромосомы. Хроматин находится в неделящемся ядре, хромосомы – в митотическом ядре.

Оболочка ядра состоит из двух мембран (наружной и внутренней). Наружная ядерная мембрана соединяется с мембранными каналами ЭПС. На ней располагаются рибосомы.

В мембранах ядра имеются поры (3000-4000). Через ядерные поры происходит обмен различными веществами между ядром и цитоплазмой.

Кариоплазма (нуклеоплазма) представляет собой желеобразный раствор, который заполняет пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). Она содержит ионы, нуклеотиды, ферменты.

Ядрышко, обычно шаровидной формы (одно или несколько), не окружено мембраной, содержит фибриллярные белковые нити и РНК.

Ядрышки – не постоянные образования, они исчезают в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания. Ядрышки имеются только в неделящихся клетках. В ядрышках происходит формирование рибосом, синтез ядерных белков. Сами же ядрышки образуются на участках вторичных перетяжек хромосом (ядрышковых организаторах). У человека ядрышковые организаторы находятся на 13,14,15,21 и 22 хромосомах.

Существуют два этапа в эволюции клетки:

1)Путем симбиоза нескольких прокариотических клеток – это симбиотическая гипотеза;

Дифференциация и специализация клеток.

Строение ядра. Деление клетки

План

1.Строение и функции клеточного ядра.

2.Хроматин и хромосомы.

3.Клеточный и митотический циклы клетки.

Строение и функции клеточного ядра.

Большинство клеток имеет одно ядро, обычно округлой формы, реже неправильной формы.

Размеры ядра колеблются от 1мкм (у некоторых простейших) до 1мм (в яйцеклетках рыб, земноводных).

Некоторые клетки (эритроциты) – безъядерные, это редкое явление, носит вторичный характер.

В состав ядра входят:

4)хроматин или хромосомы. Хроматин находится в неделящемся ядре, хромосомы – в митотическом ядре.

Земля с момента возникновения в Солнечной системе претерпевала разные состояния своего космического развития. Поэтому, помимо определенных геохронологических этапов формирования земной коры и органического мира, выделяют стадии качественного развития нашей планеты.
Установлено, что образование Земли как космического тела произошло приблизительно 4,5–5 млрд лет назад. Самые древние осадочные породы образовались на Земле 3,4–3,8 млрд лет назад, и в них уже находились следы первых живых существ. Поэтому считают, что жизнь на Земле возникла более 3,5 млрд лет назад.

Важнейшим импульсом к появлению жизни было образование молекул белков и ДНК или ДНК-подобных макромолекул. Далее на протяжении примерно первых 2 млрд лет или более в процессе биологической эволюции происходили непрерывные преобразования функций живой клетки; ее питания, размножения и структурной организации, имевшие важное значение для последующего развития живых форм. Главнейшими этапами эволюции живых организмов стали: автотрофное питание, в частности фотосинтез; аэробное дыхание; эукариотическая клеточная организация; половое размножение и многоклеточность.

Возникновение фотосинтеза у примитивных прокариот – крупный успех (ароморфоз) в развитии жизни, достигнутый на ранних этапах эволюции организмов.

Дальнейшее усложнение клетки
В дальнейшем у примитивных прокариотических клеток стали развиваться механизмы синтеза и энергетического обеспечения. Так, среди древних прокариот выделились цианобактерии (синезеленые водоросли), способные к фотосинтезу, то есть обладавшие фототрофной системой поглощения углекислого газа при их обеспечении солнечной энергией. У клетки появились особые внутриклеточные системы, способствующие осуществлению процессов синтеза органических соединений и послужившие основой для второго важного шага эволюции (ароморфоза) – развития аэробного типа обмена веществ. До этого необходимую им энергию клетки, вероятно, получали путем брожения.

Брожение – это процесс бескислородного ферментативного расщепления органических веществ. В метаболическом процессе брожение, как и гликолиз, считается малоэффективным способом получения энергии, поскольку в результате его большая часть энергии углеродных соединений остается неиспользованной. В процессе аэробного (кислородного) дыхания происходит полный распад углеродных соединений до первоначальных минеральных веществ – воды и углекислого газа – с выделением большого количества энергии. С появлением процесса фотосинтеза в атмосферу стал поступать свободный кислород. Это привело к тому, что некоторые клетки перешли от системы брожения и гликолиза к системе кислородного клеточного дыхания, что способствовало более эффективному извлечению энергии.

Таким образом, эволюция примитивных прокариотических клеток шла в направлении появления организмов с развитием различных типов метаболизма (обмена веществ). Напротив, эволюция эукариотических клеток шла в направлении увеличения разнообразия форм клетки, ее размеров, внутренней структуры и функций биохимических систем при сохранении общего для всех клеток аэробного метаболизма.

Считается, что эукариотические клетки возникли из прокариотических более 1 млрд лет назад.

Формирование кислородсодержащей атмосферы, делающей возможным дыхание, было постепенным и очень медленным процессом. Существует мнение, что именно продолжительность этого процесса могла быть причиной длительного разрыва во времени – более 2 млрд лет – между возникновением прокариот, эукариот и появлением многоклеточных организмов.

Важнейшим шагом в эволюции эукариотических клеток является возникновение митоза. Вероятно, именно митоз с его точным разделением и распределением хромосом между дочерними клетками и точной передачей наследственных свойств сделал возможным появление многоклеточности.

С возникновением многоклеточности появилась дифференциация клеток. Например, шаровидная колония водоросли вольвокс (диаметром 1 мм) насчитывает десятки тысяч клеток, похожих друг на друга. Однако они неодинаковы: большинство – мелкие, не способные к дальнейшему делению, являются вегетативными; среди них присутствуют один-два десятка более крупных, репродуктивных клеток, служащих для вегетативного размножения (образующих внутри шара дочерние шаровые колонии). Кроме того, в колонии вольвокса имеются и специальные половые клетки: одни образуют мужские гаметы, а другие – женские. Со временем разнообразие клеток многоклеточных организмов существенно возросло, стали образовываться специализированные клетки и различные ткани.

Вольвокс (Volvox globator): А – внешний вид колонии с дочерними шарами внутри; Б – часть колонии; 1 – вегетативные клетки; 2 – женские гаметы; 3 – зигота; 4 – формирование мужских гамет

Выход организмов из водной среды на сушу способствовал дальнейшей дифференциации эукариот. Обозначились различия и между животными и растительными клетками, хотя общий план их строения одинаков.

В растительной клетке есть ядро и все органоиды, свойственные и животной клетке: ЭПС, рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи. Вместе с тем она характеризуется существенными особенностями строения, отличаясь от животной клетки следующими признаками: 1) прочной клеточной стенкой значительной толщины; 2) особыми органоидами – пластидами; 3) развитой системой вакуолей, в значительной мере обусловливающих осмотические свойства клеток. Существенные отличия животных клеток от растительных наблюдаются лишь в их покровах. Клетка покрыта только плазмалеммой, хотя у многих существуют различные дополнительные структуры, усложняющие строение клеточного покрова, обеспечивающие усиление его защитной функции (гликостили, тегументы, чешуйки и др.). Другим существенным отличием является наличие гликокаликса.

Ткани многоклеточного организма

У всех многоклеточных организмов – растений и животных – клетки организованы в ткани, ткани – в органы, органы – в системы органов. Каждая из этих систем представляет собой целостную структуру, работающую для поддержания жизнедеятельности данного организма как биосистемы.
Обычно у многоклеточных организмов имеются группы клеток, сходных по происхождению, одинаковых по строению и выполняемым функциям. Они расположены рядом друг с другом, связаны между собой межклеточным веществом и специализированы для выполнения определенных функций. Такие группы клеток называют тканями.

Ткани возникли в ходе эволюционного развития органического мира вместе с появлением многоклеточности, так как специализация клеток и группирование их в специализированные ткани и органы способствуют лучшему обеспечению жизнедеятельности целостного многоклеточного организма.
В процессе эволюции у живых организмов сформировались различные ткани. Обычно у животных различают четыре группы тканей: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. У растений групп тканей больше: покровная, ассимиляционная, проводящая, образовательная (меристема), запасающая, выделительная, воздухоносная и механическая.

Некоторые ткани приобретали новые, необычные свойства. Например, нервная ткань электрического ската выполняет функцию электрозарядного устройства, а часть мышечной ткани этой хрящевой рыбы в процессе эволюции превратилась в мощные электрические аккумуляторы.
Несмотря на большое разнообразие форм, клетки разных типов обладают удивительным сходством своей структуры и функциональных особенностей.

Типы тканей животных (А) и растений (Б): 1 – эпителиальная; 2 – мышечная; 3 – соединительная; 4 – нервная; 5 – основная; 6 – проводящая; 7 – покровная; 8 – механическая

Таким образом, клетка, появившаяся в процессе эволюции миллиарды лет назад, приобрела характер биосистемы, представляющей собой жизнь. В течение последующих многих миллионов лет клетка не только усложнилась, но и, создав специализированные ткани, оказалась способной жить и активно функционировать в составе многоклеточных организмов, оставаясь основной структурной единицей жизни.

Читайте также: