Подробное решение параграф § 16 по биологии для учащихся 11 класса, авторов А.В. Теремов, Р.А. Петросова Углубленный уровень 2017
Вопрос. Рассмотрите рис. 60–62. О чём свидетельствует сходство аминокислотного и нуклеотидного состава клеток организмов, строения их хромосом?
Ответ. Это свидетельствует о едином происхождении всего живого. Все клетки способны к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Несмотря на многообразие форм, все живые клетки организмов состоят из одних и тех же химических веществ, подчинены единым структурным принципам. Каждый из компонентов выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом. Реализуются все признаки и свойства клеток и организмов благодаря белкам, структуру которых в первую очередь и определяют последовательности нуклеотидов ДНК. Поэтому первостепенное значение в процессах метаболизма играет именно биосинтез нуклеиновых кислот и белка. Структурной единицей наследственной информации является ген.
Вопрос 1. В чём заключается сущность молекулярно-биохимических методов изучения эволюционного процесса? Приведите примеры таких методов.
Ответ. Методы биохимии и молекулярной генетики изучают строение белков и нуклеиновых кислот организмов, относящихся к разным семействам, отрядам, классам. По степени различий в строении белков и нуклеотидов можно установить степень филогенетического родства различных таксонов. Методы биохимии и молекулярной генетики изучают строение белков и нуклеиновых кислот организмов, относящихся к разным семействам, отрядам, классам. По степени различий в строении белков и нуклеотидов можно установить степень филогенетического родства различных таксонов. Химический анализ клеток различных организмов показал, что все они имеют сходный элементарный состав. В них встречаются одни и те же белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. В состав белков всех организмов входят 20 обязательных аминокислот. У представителей разных систематических групп встречаются сходные по строению, составу и функциям белки. Так, сходное строение имеют хлорофилл растений и гемоглобин животных. Идентичное строение имеют многие гормоны позвоночных животных. Например, гормоны гипофиза найдены у всех групп позвоночных. Гормон инсулин имеется у всех млекопитающих.
Изучение аминокислотной последовательности белков различных организмов позволяет установить их эволюционное родство. Наглядный пример тому – родство белков миоглобина и гемоглобина.
Большое сходство наблюдается у различных организмов и в процессах обмена веществ. Например, у зародышей птиц на ранних стадиях эмбрионального развития в качестве конечного продукта белкового обмена образуется аммиак, на более поздних стадиях – мочевина, а у взрослых организмов – мочевая кислота. У головастиков лягушки белковый обмен также заканчивается образованием аммиака, что свойственно рыбам, а у взрослых земноводных конечный продукт – мочевина.
Универсальность генетического кода доказывает единство всех организмов на Земле. Изучение первичной структуры ДНК показало, что у многих организмов имеются ряды сходных последовательностей нуклеотидов. У близкородственных видов это сходство очень велико. Например, анализ структуры митохондриальной ДНК гориллы, орангутанга и человека позволил построить родословную гоминид. Оказалось, что митохондриальный ген гориллы отличается от аналогичного гена человека на 10%, а орангутана – на 17%. Вероятно, эти различия обусловлены мутациями, которые возникали у каждого вида в процессе эволюции.
Вопрос 2. Какие данные молекулярной биологии и биохимии доказывают филогенетическое родство организмов? Приведите примеры биохимической гомологии.
Ответ. Данные молекулярной биологии. Носителем наследственной информации во всех клетках являются молекулы ДНК, у всех известных организмов в основе размножения – репликация этой молекулы. В ДНК всех организмов используются 4 нуклеотида (аденин, гуанин, тимин, цитозин), хотя в природе встречаются не менее 102 различных нуклеотидов. Кроме того, в природе встречается 390 различных аминокислот, но белки всех организмов составляются из одного и того же набора, в котором всего 22 аминокислоты.
Данные биохимии. Также можно отметить крайне похожие пути метаболизма в клетках всех организмов. Так, гликолиз у всех эукариот и у большинства прокариот проходит за 10 одинаковых шагов, в одной и той же последовательности, с использованием одних и тех же десяти ферментов (при том что возможны тысячи различных, но термодинамически эквивалентных путей гликолиза). У всех изученных видов основным переносчиком энергии в клетке является аденозинтрифосфат (АТФ), хотя эту роль могли бы выполнять сотни других молекул.
Пример биохимической гомологии – факт, что у позвоночных имеются сходные или идентичные гормоны, выполняющие целый ряд различных функций. Например, выделяемый гипофизом гормон, сходный с пролактином млекопитающих, найден у представителей всех групп позвоночных. По имеющимся данным, пролактин вызывает множество разнообразных эффектов, которые можно разбить на две большие группы: одни эффекты связаны с размножением, а другие – с осморегуляцией
Таким образом, общность химического состава клеток разных организмов указывает на биохимическую гомологию, подобную морфологической, что свидетельствует в пользу эволюции.
Вопрос 3. С какой целью учёные используют метод компьютерного моделирования хода эволюционного процесса? Что доказывает такое моделирование?
Ответ. Современные ЭВМ позволяют ускорить «процесс эволюции» и составить прогноз развития эволюционных событий при различном сочетании условий. Особое внимание при моделировании уделяется выбору необходимых и достаточных исходных данных.
Так, отечественными учёными в Институте эволюционной физиологии и биохимии РАН была составлена компьютерная программа, в которую заложили описание прототипа хордовых животных, аналогичного дожившему до наших дней ланцетнику.
Этот исходный вид мог преобразовываться в другие виды организмов. Эволюционные усложнения и упрощения были равновероятными, исключались из филогенетического процесса только крупные скачки, например внезапное возникновение хорошо развитого органа – головного мозга, глаза и т. п.
После каждого временного шага, приблизительно соответствовавшего 1 млн лет, компьютер производил перебор получившихся вариантов, оценивая их приспособленность к изменяющимся условиям среды. Неудачные варианты стирались из памяти компьютера, т. е. вымирали, приспособленные – эволюционировали дальше. Через 100 шагов (100 млн лет) исходный вид «породил» множество рыбообразных существ. Ещё через 350 шагов (350 млн лет) первый организм вышел на сушу, а через 1000 шагов (1 млрд лет) появилось существо с чрезвычайно высоким уровнем развития нервной системы, передвигающееся на двух конечностях (рис. 63). Однако каждый новый машинный эксперимент при одинаковых исходных данных давал разные результаты. Вывод был очевиден – ход эволюции непредсказуем и неповторим, причём для её успешного протекания не нужно каких-либо потрясений вроде оледенения и глобальных катастроф. Эти природные катаклизмы могут влиять на ход эволюции, но не являются её причиной.