ZARYS TEORII EWOLUCJI.doc

(82 KB) Pobierz
ZARYS TEORII EWOLUCJI

ZARYS TEORII EWOLUCJI

BIOGENEZA - POWSTANIE ŻYCIA NA ZIEMI

PODSTAWY KLASYFIKACJI ŻYWYCH ORGANIZMÓW

Karol DARWIN

Teoria powstawania nowych gatunków drogą doboru naturalnego (1859):

Ponieważ rodzi się więcej organizmów niż jest w stanie przeżyć, organizmy konkurują ze sobą, prowadząc walkę o byt.

W procesach rozmnażania przychodzi na świat znacznie więcej organizmów, aniżeli może się wyżywić i utrzymać przy życiu.

Cechą charakterystyczną organizmów żywych jest zmienność. Niektóre cechy różniące jedne organizmy od drugich ułatwiają utrzymanie się przy życiu w walce o byt, inne natomiast są niekorzystne i powodują wyeliminowanie nosicieli. W ten sposób przeżywa najlepiej przystosowany, co stanowi istotę doboru naturalnego.

Osobniki, które przeżyły rozmnażają się przekazując swoje cechy potomstwu. Dzięki temu z pokolenia na pokolenie następuje coraz lepsze przystosowanie do środowiska. Jeśli środowisko się zmienia, zmieniają się rónież przystoswania kolejnych pokoleń.

SYNTETYCZNA TEORIA EWOLUCJI - neodarwinizm

- łączy odkrycia genetyki, systematyki i paleontologii w spójną teorię wywodzącą się z teorii Darwina.

Th. Dobzhansky (1937: „Genetics and the Origin of Species”)

E. Mayr (1942: „Systematics and the Origin of Species”)

J. Huxley (1942: „Evolution: The Modern Synthesis”)

 

G. G. Simpson (1944: „Tempo and Mode in Evolution”,

1953: „The major features of Evolution”)

Syntetyczna teoria ewolucji:

Populacje naturalne charakteryzuje zmienność losowa, nieadaptacyjna, której źródłem są mutacje i rekombinacje.

Populacje zmieniają się z pokolenia na pokolenie wskutek zmian frekwencji alleli, spowodowanych doborem naturalnym, dryfem genetycznym i przepływem genów.

Wiekszość wariantów adaptacyjnych daje niewielki efekt fenotypowy, dlatego obserwowane zmiany są stopniowe.

Wzrost różnorodności organizmów zachodzi wskutek specjacji, która polega zwykle na stopniowym powstawaniu izolacji rozrodczej między populacjami.

Te same procesy, jeśli trwają dostatecznie długo, powodują tak duże zmiany w organizmach, że istnieją podstawy do nadania im wyższej rangi taksonomicznej (rodzaju, rodziny itd.).

Mechanizmy ewolucji -

czynniki wywołujące proces ewolucji organizmów

Zmienność genetyczna

pierwotna - powstająca w wyniku mutacji - jej efektem są nowe warianty genów (allele)

wtórna - powstająca w wyniku rekombinacji - jej efektem są nowe genotypy (nowe zestawy alleli)

Dziedziczenie

Zjawiska losowe - dryf genetyczny - zmiana frekwencji poszczególnych alleli wywołuje proces ewolucji w obrębie populacji tego samego gatunku.

 

Dobór naturalny = selekcja - prowadzi do zmian przystosowawczych powodujących, że zmienność określonej populacji odpowiada wymogom środowiska, które ta populacja zajmuje; prowadzi zatem do powstania zróżnicowania genetycznego między populacjami.

Typy doboru naturalnego (selekcji):

Stabilizujący = normalizujący, kanalizujący - faworyzuje cechy o wartościach średnich dla danej populacji, a eliminuje wartości skrajne, nie sprzyjające. Działa w obrębie populacji, które osiągnęły wysoki stopień przystosowania w stabilnym, nie zmieniającym się środowisku i utrzymuje ich zmienność genetyczną na stałym poziomie, nie prowadząc do zmian ewolucyjnych.

Kierunkowy = dynamiczny, progresywny - faworyzuje jedno optimum, które jednak nie pokrywa się ze średnią wartością cechy w danej populacji, lecz odbiega od niej w jednym lub


 

drugim kierunku. Działa w warunkach progresywnie zmieniającego się środowiska i prowadzi do osiągnięcia nowego stanu przystosowania populacji.

 

Rozdzielający = rozrywający, różnicujący - faworyzuje jednocześnie więcej niż jedno optimum wartości cechy, natomiast eliminuje formy pośrednie. Działa w populacji zasiedlającej niejednorodne środowisko i przystosowuje poszczególne formy do pewnych elementów siedliska, przy czym populacja jako całość utrzymuje wysoką zmienność genetyczną.

Prawidłowości ewolucji:

Kumulatywność - zmiany ewolucyjne przebiegają drogą stopniowgo gromadzenia drobnych zmian genetycznych i odpowiadających im cech fenotypowych.

Nieodwracalność - przemiany ewolucyjne nigdy nie cofają się po tej samej drodze, którą postępowały wcześniej.

Kierunkowość - w różnych liniach rozwojowych przez dłuższy czas utrzymuje się pewien niezmienny trend ewolucyjny, polegający na stałym i stopniowym wzroście (lub spadku) natężenia danej cechy.

Wzrost złożoności systemów żywych - tendencja widoczna w przebiegu istotnych etapów historii życia na Ziemi

 

Zmienne tempo - różnice w szybkości zmian ewolucyjnych dotyczą zarówno odmiennych linii rozwojowych organizmów żywych, jak i różnych okresów w rozwoju poszczególnych linii.

GATUNEK - jest to grupa organizmów mniej lub bardziej zróżnicowanych, zdolnych do krzyżowania się między sobą w przyrodzie, będących w izolacji rozrodczej wobec innych gatunków.

BIOLOGICZNA KONCEPCJA GATUNKU

Mechanizmy izolacji rozrodczej

Izolacja prezygotyczna - mechanizmy zapobiegające przepływowi genów między gatunkami - uniemożliwiające odbycie kojarzeń

izolacja sezonowa

izolacja siedliskowa

izolacja etologiczna

izolacja mechaniczna

izolacja gametyczna

Izolacja postzygotyczna - mechanizmy zapobiegające przepływowi genów między gatunkami, które po zapłodnieniu uniemożliwiają rozwój lub rozród mieszańców

nieżywotność mieszańców

niepłodność mieszańców

depresja mieszańcowa

 

Specjacja - proces powstawania nowych gatunków

Specjacja allopatryczna - powstawanie gatunku następuje wówczas, gdy jakaś populacja zostanie odizolowana geograficznie od reszty populacji danego gatunku, a nastepnie podlega dalszej ewolucji; zwana również specjacją geograficzną.

 

Specjacja sympatryczna - powstanie nowego gatunku na obszarze zajmowanym przez gatunek wyjściowy (bez izolacji geograficznej).

EWOLUCJA świata organicznego jest to nieodwracalny, historyczny, przebiegający w różnym tempie proces powstawania, zmieniania i różnicowania się grup organizmów, trwający równolegle i zależnie od zmian zachodzących w środowisku i powodujący przystosowanie do owych zmian poprzez wymieranie mniej przystosowanych, a przeżycie bardziej przystosowanych form istot żywych.

BIOGENEZA - proces powstawania życia na Ziemi.

Etapy powstawania życia na Ziemi

Ewolucja prebiologiczna - abiogenna synteza prostych związków organicznych.


 

Powstawanie polimerów prostych związków (powstawanie układów złożonych: polisacharydy, białka, kwasy nukleinowe)

Powstanie struktur błoniastych oddzielających makrocząsteczki od środowiska - powstanie prakomórki - zapewnienie mikrośrodowiska dla przebiegu specyficznych reakcji chemicznych charakterystycznych dla systemów ożywionych.

Powstanie aparatu genetycznego - możliwość powielania pierwotnych kwasów nukleinowych i pierwotnych polipeptydów w warunkach abiotycznych i możliwość przekazywania informacji umożliwiającej powielanie komórki.

Powstanie mechanizmu dostarczającego energii.

Abiogenna synteza związków organicznych

I:

Założenie Urey’a i doświadczenie Millera (1953):

skład atmosfery: atmosfera beztlenowa, zawierająca głównie H2, NH3, CH4, H2O, właściwości redukujące

źródło energii: promieniowanie ultrafioletowe, wyładowania atmosferyczne, energia jądrowa

 

miejsce syntezy: atmosfera, a powstałe związki organiczne opadają do oceanów i ulegają rozpuszczeniu w wodzie tworząc tzw. „pierwotną zupę (bulion)”

II:

Inne poglady (lata 70. XX wieku):

skład atmosfery: atmosfera beztlenowa, zawierająca głównie N2, CO2, H2O

źródło energii: energia cieplna z wnętrza Ziemi

 

miejsce syntezy: woda w sąsiedztwie źródeł hydrotermalnych w aktywnych wulkanicznie rejonach oceanicznych lub gorące źródła na skraju wulkanów

Powstawanie polimerów prostych związków

Łączenie się związków organicznych w bardziej złozone układy - polimery - może być spontaniczne, bez udziału katalizatorów.

Dłuższe oligonukleotydy czy peptydy można uzyskać wtedy, gdy polimeryzacja odbywa się na powierzchni materiałów ilastych, bez udziału wody, która sprzyja hydrolizie.

Polimeryzacja aminokwasów może zachodzić w wodzie morskiej wzbogaconej w sole żelaza, cynku, miedzi, kobaltu, manganu, sodu i chloru i ogrzanej do temp. 105°C.

Powstawanie polimerów mogło zatem mieć miejsce w wodzie, w glebie (w związku z występowaniem cząstek iłów) lub na obszarach, na których tworzyły się piana i bąble.

Powstanie prakomórki - kształtowanie strukturalnych podstaw życia

Przedkomórkowe formy organizacji materii:

Koacerwaty (A. Oparin) - protobionty, agregaty cząstek koloidalnych (dwu lub więcej rodzajów cząsteczek organicznych) otoczone warstwą cząsteczek rozpuszczalnika.

mogą wchłaniać cząsteczki z otoczenia, powiększać objętość i dzielić się

wykazują prosty metabolizm

Mikrosfery (S. Fox) - kuliste protobionty powstałe wskutek przyłączenia wody do protenoidów (polipeptydów tworzących się w wyniku spontanicznej polimeryzacji aminokwasów).

mają właściwości osmotyczne

mogą pochłaniać substancje z otoczenia

mogą wytwarzać potencjał elektryczny w poprzek powierzchni

Wytworzenie struktur błoniastych, pęcherzyków zawierających agregaty samopowielających się polimerów

Struktury błoniaste powstają spontanicznie w mieszaninach lipidów lub fosfolipidów z wodą.

Błony te mogły komplikować swoją budowę przez przyłączanie polipeptydów, które zapewniały większą stabilność i wymianę materii z otoczeniem.

Powstanie aparatu genetycznego

Autokataliza białek

Autokataliza kwasów nukleinowych

Hipercykl białek i kwasów nukleinowych

Teoria hipercykli Eigena:


 

Cząsteczki pierwotnych kwasów nukleinowych różniły się między sobą m.in. stopniem stabilności, szybkością „replikacji”, czasami życia, dokładnością kopiowania.

Populacje cząsteczek biopolimerów podlegały działaniu doboru naturalnego.

Pierwotne „geny” mogły mieć długość dzisiejszych cząsteczek tRNA.

Powstawały kooperacje (sprzężenia, hipercykle) w samoodtwarzaniu pomiędzy pierwotnymi kwasami nukleinowymi a pre-białkami (białka mogły pełnić funkcje biokatalizatorów).

Hipercykle podlegały doborowi naturalnemu, w efekcie powstały układy kwasu nukleinowego z białkiem o odpowiedniej sekwencji aminokwasów (prymitywny proces translacji).

Hipercykle ulegały odizolowaniu od otoczenia i innych hipercykli - powstała kompartmentacja.

 

Powstanie i ewolucja pierwszych organizmów żywych

Kalendarz:

Pierwsze Procaryota - ok. 3,2-3,8 mld lat temu

Pierwsze Cyanobacteria - ok. 2,5 mld lat temu

Pierwsze Eucaryota - ok. 2,1 mld lat temu

EWOLUCJA PROCARYOTA

Pierwsze probakterie były beztlenowymi heterotrofami (żyły w beztlenowym środowisku bogatym w związki organiczne) miały tylko enzymy ułatwiające transport substratów przez błonę.

Pierwsze prototrofy były zdolne do przeprowadzania prostych syntez.

Pierwsze autotrofy to metanogenne archebakterie uzyskujące energię w reakcji redukcji dwutlenku węgla, zdolne do wiązania CO2 przez acetylokoenzym A.

Pierwsze chemolitotrofy to bakterie uzyskujące energię w reakcji utleniania prostych związków nieorganicznych (bakterie nitryfikacyjne, żelaziste, wodorowe, siarkowe), zdolne do wiązania CO2 drogą, kolejno, hydroksypropionową, przez reduktywny cykl kwasów karboksykowych, oraz przez cykl Calvina.

Pierwsze fotoautotrofy to beztlenowe bakterie fotoautotroficzne wykorzystujące jako źródła elektronów zredukowane związki mineralne siarki lub wodór.

Pierwsze tlenowe fotoautotrofy to sinice, wykorzystujące wodę jako reduktor i produkujące tlen.

 

Znaczenie fotoautotrofów dla środowiska Ziemi

Czas powstania bakteriochlorofilu - ok. 2,8 - 2,5 mld lat temu

Wstęgowe (prążkowane) formacje żelaziste (BIF - Banded Iron Formations)

Stromatolity

 

Czas powstania II systemu fotosyntezy - powstanie atmosfery tlenowej (układ fotosyntetyzujący wykorzystujący jako reduktor wodę i produkujący tlen) - ok. 2 mld lat temu

Obecność heterocyst w nitkowatych koloniach sinic tworzących stromatolity

Zanikanie BIF

EWOLUCJA EUCARYOTA

Pra-Eucaryota powstały prawdopodobnie równocześnie z Procaryota jako beztlenowe twory, nieobłonione, amebowate, wyposażone w jądro z pałeczkowatymi chromosomami, zdolne do odżywiania się na drodze fagocytozy. Pokarmem ich mogły być pra-Procaryota.

Etapy ewolucji Eucaryota:

Powstanie chromosomów i jądra komórkowego:

 

fragmentacja genoforu bakteryjnego

lub

powielenie genoforów bez podziału komórki

Powstanie mitochondriów - mitochondria pochodzą z endosymbiotycznych fotosyntetyzujących bakterii purpurowych - alfa-proteobakterii

Powstanie chloroplastów - chloroplasty pochodzą z endosymbiotycznych sinic

 

Pierwsze organizmy eukariotyczne

Grypania – pierwsze ok. 2,1 mld lat temu - pierwsze Protista złożone z zakręconych rurek


 

Akritarchy – pierwsze ok. 1,9 - 1,6 mld lat temu - mikroskamieliny „o niepewnym pochodzeniu” - stadia przetrwalnikowe (cysty) pierwotnych eukariontów o różnych pokrewieństwach, prawdopodobnie nawiązujące do różnych grup glonów.

PODSTAWY KLASYFIKACJI ŻYWYCH ORGANIZMÓW

BIORÓŻNORODNOŚĆ NA ZIEMI:

Bakterie 3 000

Sinice 500

Glony eukariotyczne 17 000

Mszaki 23 000

Paprotniki 12 000

Rośliny nasienne 240 000

Grzyby 120 000

Porosty 16 500

Pierwotniaki 30 000

Bezkręgowce 1 000 000

Kręgowce 50 000

RAZEM 1 512 000

SYSTEMATYKA (gr. systema ) jest to nauka badająca różnorodność organizmów żywych i wszelkie związki między nimi oraz klasyfikująca organizmy na podstawie pokrewieństw i filogenezy.

TAKSONOMIA (gr. taksis - porządek, nomos - prawo) - poddyscyplina systematyki - jest to teoria i praktyka klasyfikowania organizmów żywych. Zajmuje się sztuką opisywania roślin i zwierząt i tworzenia taksonów; w jej skład wchodzi nazewnictwo biologiczne.

KLASYFIKACJA (łac. classis - oddział, facio - czynię) jest to postępowanie związane z zaszeregowaniem organizmów żywych do odpowiednich kategorii systematycznych

Takson - grupa podobnych do siebie organizmów, na tyle odrębna od innych, że zasługuje na zaliczenie jej do odrębnej kategorii systematycznej. Termin ten odnosi się zawsze do konkretnego obiektu biologicznego.

 

Kategoria - ranga, poziom w klasyfikacji hierarchicznej; jest to zespół wszystkich taksonów danej rangi.

HISTORIA TEORII KLASYFIKACJI

Arystoteles (384 - 322 p.n.e) - ojciec klasyfikacji biologicznej

Wyróżnił kategorie zbiorcze, rodzaje, stosując określone kryteria różnicujące, np. krwistość lub bezkrwistość, owłosienie lub pokrycie piórami, itp.

Uszeregował wszystkie zwierzęta w jednej stopniowanej „scala naturae” zgodnie ze stopniem ich „doskonałości”; wprowadził pojęcie zwierząt „niższych” i „wyższych”.

Zapoczątkował empiryczne metody badań przyrodoznawczych.

Linneusz (1707 - 1778) - ojciec taksonomii

Zastosował binominalną metodę nomenklatury zwierząt i roślin

Darwin (1809 - 1882) - twórca ewolucyjnej interpretacji zmienności organizmów

Uznał, że oddzielanie taksonów musi być oparte na pokrewieństwie pochodzenia, a zaliczanie taksonów do różnych kategorii powinno uwzględniać przebyte stopnie modyfikacji.

TEORIE KLASYFIKACJI BIOLOGICZNEJ

Przed rokiem 1859

Esencjalizm (od Arystotelesa do Linneusza) - zadaniem wiedzy jest poznawanie i opisywanie ukrytej, prawdziwej natury rzeczy, czyli „istoty”; esencjalizm przyporządkowuje zmienność przyrody do ustalonej liczby typów różnych szczebli; wszyscy członkowie taksonu są odzwierciedleniem tej samej istotnej natury, odpowiadają temu samemu typowi.

Empiryzm - wyróżnia taksony w oparciu o cały zespół cech, a nie tylko te najbardziej istotne; poszukuje wspólnych cech i bada korelacje tych cech z innymi


 

Nominalizm - grupy naturalne nie istnieją, istnieją jedynie osobniki, a taksony są sztucznymi tworami ludzkiego umysłu

Po 1859 roku - ewolucjonizm jako podstawa klasyfikacji

Fenetyka - taksonomia numeryczna; przyjmuje ogólne podobieństwo organizmów za podstawę klasyfikacji; celem fenetyki jest wyeliminowanie elementów subiektywnych, związanych z wyborem cech; polega na badaniu wszystkich możliwych cech, którym przypisuje się jednakową wagę i obliczaniu średniego podobieństwa.

Kladyzm- organizmy są szeregowane i klasyfikowane wyłącznie w zależności od wspólnego pochodzenia. Celem kladystyki jest odtworzenie kolejności rozszczepiania się linii filetycznych.

Klasyfikacja ewolucyjna - taksony są wyodrębniane tak, aby pokrywały się z grupami filogenetycznymi; klasyfikacja powinna być odbiciem filogenezy

Drzewo filogenetyczne (dendrogram) - graficzne ujęcie ewolucyjnych pokrewieństw

Fenogram - graficzne ujęcie zaznaczające pokrewieństwa i względny czas pojawienia się jedno...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin