Молекулярные свидетельства эволюции что позволяют сделать ученым
Молекулярные свидетельства эволюции что позволяют сделать ученым
Молекулярные свидетельства эволюции.
Благодаря современным достижениям молекулярной биологии и генетики удалось расшифровать геном человека, мыши, дрозофилы, малярийного комара, риса и многих других видов животных, растений, грибов и микроорганизмов. Мы можем сравнивать гены разных организмов и анализировать сходство и различия между ними. Мы можем изучать гены не только ныне живущих организмов, но и давно вымерших видов, используя следы ДНК в ископаемых останках.
Мы знаем, что все живые организмы имеют одинаковые механизмы записи, передачи и считывания наследственной информации. Эта информация записана в последовательности нуклеотидов ДНК (РНК у некоторых вирусов), она передается из поколения в поколение благодаря одному и тому же механизму репликации, она транскрибируется в последовательность нуклеотидов и-РНК и затем транслируется в последовательность аминокислот в белках с использованием одного и того же генетического кода. Это однозначно свидетельствует о том, что все ныне живущие на Земле организмы происходят от одного общего предка.
Число отличий по аминокислотам в молекуле гемоглобина у представителей разных таксонов тем больше, чем раньше в эволюции разошлись эти таксоны.
Геном каждого вида представляет собой генетическую летопись его эволюции. Каждый организм получил свои гены от предков, а те в свою очередь от своих предков, и так до самого первого предка всех живых организмов. В большинстве случае гены передавались без изменений, но изредка возникали случайные изменения – мутации. Некоторые мутации снижали приспособленность организмов, которые их наследовали. Такие мутации отметались естественным отбором и не передавались дальше. Большинство никак не сказывались на приспособленности организмов, и, следовательно, на вероятности передачи этих измененных генов из поколения в поколение. Наконец, были такие мутации, которые давали их носителям преимущества в борьбе за жизнь. Они распространялись в популяциях и закреплялись в генофонде вида, внутри которого они возникли, и передавались дочерним видам. Таким образом, в геномах ныне живущих видов записана все история этих видов. Сравнение генов разных видов дает ключ к построению единой родословной всего живого на Земле.
Многие мутации представляют собой замены одних нуклеотидов на другие. Мутации возникают, как правило, во время репликации ДНК. Отсюда следует, что, чем больше поколений прошло со времени дивергенции двух видов от общего предка, тем больше случайных замен нуклеотидов должно было накопиться в геномах дочерних видов. Соответственно, тем больше аминокислот отличают один и тот же белок у этих видов. Общий предок человека и мартышки существовал более 30 млн. лет назад, а общий предок человека и кошки — более 80 млн. лет назад. Когда мы сравниваем аминокислотные последовательности гемоглобина, мы видим, что различий между белками ( и следовательно, генами) человека и мартышки гораздо меньше, чем между белками человека (или шимпанзе) и кошки.
Количественная оценка различий между видами по множеству генов позволяет построить генеалогическое древо, показывающее родство различных таксонов (видов, отрядов, семейств, классов), и определить относительное время их дивергенции. В основном это древо совпадает с теми, что были построены на основе морфологических, эмбриологических и палеонтологических данных.
Ученые уже давно обнаруживали странное сходство между современными китами и копытными. Палеонтологические данные подтвердили, что предки китов по ряду признаков были похожи на предков копытных. Данные молекулярно-генетического анализа позволили точно определить положение китов на едином древе жизни. Ближайшим родственником китов оказался гиппопотам, который относится к отряду парнокопытных. Это значит, что общий предок китов и парнокопытных (гиппопотамов, коров, свиней) существовал в более близкое к нашим дням время, чем общий предок парн о- и непарнокопытных (лошадей, тапиров, носорогов). В современной систематике киты и парнокопытные объединяются в один отряд китопарнокопытных
Молекулярные данные предоставляют нам самые убедительные свидетельства эволюции. Опираясь на эти данные, мы можем реконструировать историю жизни на Земле, показать, что все современные виды связаны неразрывными нитями родства, вся жизнь на Земле представляют собой единое филогенетическое древо.
1. У всех живых организмов на Земле обнаружены одинаковые механизмы записи, передачи и считывания наследственной информации. О чем это свидетельствует?
2. Как можно использовать данные анализа генов и белков современных организмов для реконструкции их происхождения?
Молекулярные свидетельства эволюции
Эмбриологические свидетельства эволюции
•Цифровые, а не аналоговые программы
ДНК – цифровая, а не аналоговая запись, можно прочесть по ней аминокислотную последовательность, если таковая имеется, но нельзя сразу определить, что она делает.
•Нет генерального плана, есть локальные правила
•Нецелесообразные, но сходные пути органогенеза
Эмбрионы Геккеля. На стадиях органогенеза эмбрионы позвоночных проходят схожие пути, закладки органов. Но не совсем на ранних стадиях. На стадиях бластул итд они очень сильно отличаются. Затем в начале органогенеза сходство, со временем сменяющееся различием.
Зачем человеку сходств, если он потом подвергается апоптозу. Зачем дельфину почка задних конечностей.
Примеров, опровергающих эволюцию, в эмбриогенезе нет. (Правда, Бородин оценил идею Владыко про гипотетических видов в пределах одной группы, которые начинают с разных исходных точек, а потом конвергируют – ХЗ, что имели в виду, давайте тогда к любому доказательству придумывать гипотетические исключения. Хрень, короче.)
•Различия взрослых форм обусловлены небольшими изменениями программ развития
•Descent with modifications
Молекулярные свидетельства эволюции
•Единство способов хранения и передачи ген. информации – ДНК, РНК. Даже если кто-то прилетел и создал все на Земле, то или это было один раз, или было много раз, но выжили организмы из одного заноса, или же было много раз, но все из одного места, где, в свою очередь, единожды возникла жизнь. Потому что имеем один и тот же код, который ни из чего не следует. Он не является обязательным, он не самый лучший, не самый оптимальный, можно было бы создать код и получше. Но как только он возник, его уже нельзя поменять.
•Универсальность и вырожденность кода
Это все и так знают.
–ретровирусы, повторы, псевдогены
•Сходство нейтральных участков геномов параллельно внешнему сходству
Касаются не только функциональных частей, (что объяснимо функциональной пользой), но и нейтральных. Это полезно при построении деревьев.
•Descent with modifications
Берем голубей. Одна-единственная замена нуклеотида дает совершенно новую прическу. На уровне ДНК это вовсе не очевидно.
У разных организмов есть консервативные последовательности, которые вообще-то могли бы меняться как угодно, если бы не поддерживались естественным отбором, то есть, изменения их способствуют отсеву организмов. Тем не менее, в геноме человека много мусора, экзом составляет всего 2%. Но ENCODE установил, что функции имеет 80,4 % генома. Что же считать функцией? ENCODE считал, что если последовательность транскрибируется, имеет рамки считывания, регуляторные элементы, значит она имеет функцию. Тогда 74,7 % генома транскрибируется, 56,1% имеет открытые рамки считывания. Но так-то логика не совсем верная. Сердце имеет прикольную форму – тоже функция, но ненужная. Нужная – что эта форма включает клапаны и вообще может качать кровь, вот эта функция будет поддерживаться отбором. То же и с ДНК – ну и что, что транскрибируется. Реплицируется вон вообще 100% ДНК, это же не значит, что мусорной вообще нет. Нужная ДНК – только та, которая консервативна (именно
2%), потому что изменения в ней ухудшают шансы организма пройти отбор, любая другая – мусор. Геном не может оставаться неизменным 50-100 млн лет, миллиарды, если речь идет о рибосомальной РНК если его не проверяют.
Есть мусор – хлам, который бесполезен, но и безвреден, и есть постольку, поскольку появляется быстрее, чем мы от него успеваем отделываться. Когда ДНК становится вредной, тогда она уже удаляется.
Сначала началось все с молекул РНК. Это не жизнь. Просто они могут создавать свои точные копии. Они обладают наследственностью (воспроизводят себя), способностью к катализу, способность принимать двуцепочечную форму, сложные формы. Это случайный процесс, но если она катализирует хоть что-то, повышающее шансы репликации молекулы, это уже другое дело.
Но складывается она при пониженной температуре, а для репликации нужен отжиг – противоречие. В черных курильщиках: есть капиллярные структуры, внизу повышенная температура, вверху – около 4 градусов.
Метод научного тыка в фармакологии – кучу разных умеренно длинных рнк выливают в колонку, нужная задерживается на необходимом субстрате, затем в неё вносятся различные мутации и снова отбирается лучшая. В итоге, имеем наиболее эффективные факторы связывания к нашему субстрату. Стр 39.
Цели у этих молекул не было, мы запланированы не были. Нельзя создать то, что будет хорошо в будущем, но не нужна или вредна сейчас. Выгодно именно сейчас присоединение кофактора – присоединили, лучше работается в паре – рибозимы объединяются. Вообще в этой версии развития молекул в жизнь Павел Михайлович делал много допущений и проскоков.
Вторая версия возникновения кода (которая нравится Бородину меньше) в том, что аминокислоты группируются по своим свойствам, и сначала прямо на молекуле РНК без рибосом и рибозимов происходила полимеризация АМК для оптимизации всей конструкции. Но это сложнее.
ДНК эгоистична. Мы – просто машина выживания ДНК. Жизнь – конкуренция репликаторов.
Мусорная ДНК со временем может стать полезной. Теломерные последовательности дрозофил – на самом деле ретровирусные последовательности.
Молекулярные свидетельства эволюции (конспект урока)
Молекулярные свидетельства эволюции
Тип урока: изучение нового материала
Цели: рассмотреть молекулярные свидетельства эволюции, их доказательства, вспомнить с учащимися строение нуклеиновых кислот и механизмы реализации наследственной информации в клетке.
Планируемые результаты обучения:
Оборудование: учебник, видеофрагменты, задачи на реализацию наследственного материала.
1.Организационный момент – 2 минуты. Приветствие учащихся, проверка присутствующих, общая готовность к уроку.
2.Актуализация знаний и мотивация к уроку – 5 минут. Фронтальный опрос по теме прошлого урока.
1. Проверка домашнего вопроса (анализ ситуации): используя современные знания о хранении, передаче и реализации генетической информации, докажите невозможность наследования результатов упражнения органов?
2. Что такое материализм? Какие ученые представляли это направление мысли в учении об органическом мире?
3. Кто из ученых оказал влияние на работу Ч.Дарвина?
4. В чем несостоятельность теории Ламарка? В чем ее заслуги?
5. Что является движущими силами эволюции по Дарвину? А согласно синтетической теории?
6. В связи с чем наступил кризис классического дарвинизма?
7. Какие существуют формы борьбы за существование?
Доказательства существования эволюционного процесса учёные получили из достоверных данных эмбриологии, морфологии, сравнительной анатомии, систематики, палеонтологии, биогеографии, молекулярной биологии. Все доказательства эволюции можно сгруппировать по направлениям: эмбриологические, морфологические (сравнительно-анатомические или сравнительно-морфологические), палеонтологические, биогеографические и молекулярно-биологические. На сегодняшнем уроке мы рассмотри молекулярно-биологические свидетельства эволюции, вспомним строение нуклеиновых кислот и процессы реализации наследственной информации в клетке.
Учащиеся записывают в тетрадях дату и тему урока.
3.Изучение нового материала – 35 минут.
Проявления жизни на Земле чрезвычайно многообразны. Жизнь на Земле представлена ядерными и доядерными, одно- и многоклеточными существами; многоклеточные, в свою очередь, представлены грибами, растениями и животными.
Вопрос к учащимся: вспомните, какие Царства выделяют в систематике органического мира? Какие существуют уровни организации жизни?
Перечисленные уровни выделены по удобству изучения. Если же попытаться выделить основные уровни, отражающие не столько уровни изучения, сколько уровни организации жизни на Земле, то основными критериями такого выделения должны быть признаны наличие специфических элементарных, дискретных структур и элементарных явлений.
При изучении молекулярно-биологического уровня достигнута, видимо, наибольшая ясность в определении основных понятий, а также в выявлении элементарных структур и явлений. Развитие хромосомной теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов вскрыли основные черты организации элементарных генетических структур и связанных с ними явлений.
Вопрос к учащимся: вспомните, какие процессы протекают на молекулярном уровне? Какой химический состав организмов и особенности молекулярного уровня организации материи?
Вы помните, что химический состав организмов, в отличие от объектов неживой природы, относительно постоянный. Из более чем 100 разных типов атомов химических элементов и их изотопов в живых организмах обнаружено 60. Одни из них являются обязательными для всех без исключения живых организмов, другие – лишь для отдельных видов. Вместе с тем, в живых организмах не обнаружено ни одного элемента, который отсутствовал бы в неживой природе. Это одно из свидетельств единства живой и неживой природы.
Вопрос к учащимся: какие элементы относятся к органогенным? Какие неорганические вещества присутствуют в организме? В чем их функция?
Задание на доске: установить соответствие между недостатком приведенного элемента в организме человека и последствиями этого явления:
Нарушение образования гормонов поджелудочной железы
Нарушение регуляции работы сердца
Разрушение эмали зубов
Вам уже известно, что общее содержание неорганических веществ (кроме воды) в разных клетках варьирует от одного до нескольких процентов. Среди неорганических веществ важную роль в обеспечении функционирования отдельных клеток и целостных организмов играют вода, неорганические кислоты, щелочи и соли.
Вопрос к учащимся: давайте вспомним, как связаны свойства воды и ее функции. Установите соответствие (задание на доске):
Создание определенного рН среды
Способность к обратимой ионизации
Охлаждение организма в жаркую погоду
Способность изменять агрегатное состояние
Предотвращение резких изменений температуры организма
Вопрос к учащимся: что относится к органическим соединениям клетки? Какую функцию выполняют белки, жиры, углеводы? Сколько существует уровней организации белковой молекулы?
Вопрос к учащимся: вспомните, что такое нуклеиновые кислоты? Какие нуклеиновые кислоты есть в клетке?
Известно, что основные структуры на молекулярном уровне (коды наследственной информации, передаваемой от поколения к поколению) представляют собой ДНК, дифференцированную по длине на элементы кода – триплеты азотистых оснований.
Вопрос к учащимся: вспомните, где находится ДНК? Кто из ученых установил структуру молекулы ДНК?
Молекула ДНК состоит из двух цепей нуклеотидов, соединенных между собой водородными связями. Эти связи возникают между нуклеотидами, которые как бы дополняют друг друга по размерам. Расшифровка структуры ДНК имеет свою историю. В 1950 году американский ученый украинского происхождения Эрвин Чаргафф и его коллеги обнаружили количественные закономерности содержания азотистых оснований в молекуле ДНК.
Вопрос к учащимся: вспомните, как звучит правило Чаргаффа?
Вопрос к учащимся: какое название имеет четкое соответствие нуклеотидов в двух цепях?
При этом две цепи обвивают друг друга, создавая закрученную вправо спираль диаметром примерно 2 нанометра. Так возникает вторичная структура ДНК, тогда как первичная – это последовательность остатков нуклеотидов, расположенных в виде двойной цепи. При этом отдельные нуклеотиды соединены между собой в цепь за счет особой разновидности ковалентных связей, которые возникают между остатком углевода одной цепи и остатком фосфорной кислоты другой.
Молекулы ДНК в клетке образуют компактные структуры благодаря тому, что двойная спираль ДНК пространственно уплотняется, формируя третичную структуру – суперспираль. Такое строение характерно для ДНК хромосом эукариот и обусловлено взаимодействием ДНК с ядерными белками. В ядерной зоне клеток прокариот молекула ДНК имеет форму кольца и не вступает в комплекс с белками.
Триплеты азотистых оснований образуют гены.
Вопрос к учащимся: что такое ген?
Были открыты регуляторные и структурные гены, состоящие из повторяющихся последовательностей нуклеотидов. Последовательности регуляторных генов, как правило, повторяются, они кодируют белки-ферменты и регулируют транскрипцию структурных генов. Структурные же гены уникальны, кодируют синтез полипептида, определяя последовательность чередования аминокислот. Поскольку скорость эволюции организма в некоторых ветвях превышает скорость эволюции белков, высказано предположение о большей эволюционной лабильности регуляторных генов в отличие от структурных. Однако мутации в каждом из этих типов генов имеют существенное значение для эволюции. Было показано, что различия между некоторыми близкими видами часто основаны на дупликации генов.
Вопрос к учащимся: как происходит синтез белка в клетке? Что такое транскрипция и трансляция?
Синтез каждого определенного специфического белка определяется геном. Ген — это участок ДНК, являющийся элементарной частицей генетической информации. Он характеризуется определенной последовательностью нуклеотидов. Центральная догма современной биологии характеризует одну из основ жизни следующим образом:
Иными словами, наследственная информация, заключенная в ДНК, передается по наследству благодаря ее самоудвоению (репликации). Генетическая информация, записанная в виде последовательности нуклеотидов ДНК, в процессе транскрипции переписывается в нуклеотидную последовательность РНК, которая, в свою очередь, определяет последовательность аминокислот соответствующей белковой молекулы. Благодаря наличию ядерной оболочки в клетках человека (и других эукариот) процессы транскрипции и трансляции проходят в разных структурах и разделены во времени.
В клетках существует три типа РНК. Среди них информационная (мРНК) переносит информацию о нуклеотидной последовательности ДНК к рибосомам. В образовании рибосом участвует рибосомная РНК (рРНК). Небольшие транспортные РНК (тРНК) выполняют двойную функцию: они присоединяют молекулу аминокислоты, транспортируют ее к рибосоме и узнают триплет, соответствующий этой аминокислоте в молекуле мРНК.
Задание для учащихся: вспоминаем решение задач на транскрипцию и репликацию.
1. В биосинтезе полипептида участвуют молекулы т-РНК с антикодонами УУГ, АГУ, ЦЦГ, ГГЦ, ААУ. Определите последовательность нуклеотидов и-РНК, нуклеотидную последовательность каждой цепи участка ДНК, кодирующего синтезируемый полипептид, и число нуклеотидов, содержащих аденин, гуанин, тимин и цитозин в двухцепочечной молекуле ДНК.
2. Цепь молекулы ДНК содержит 34% гуанина, 26% цитозина, 25% тимина и 15% аденина. Какое процентное содержание нуклеотидов молекулы и-РНК, синтезированной на этой цепи молекулы ДНК?
3. Одна из цепей молекулы ДНК имеет такой вид: ГЦГ ГГТ ГГА ТАА ЦТА ГЦЦ. Какой вид будет иметь вторая цепь этой молекулы ДНК, синтезированная во время самоудвоения?
Вопрос к учащимся: вспомните, каковы основные свойства генетического кода?
Генетический код не перекрывается, хотя в нем отсутствуют знаки, отделяющие один триплет от другого. Например, в последовательности оснований UUCAUUGUU первые три основания кодируют одну аминокислоту, вторые три — другую и т. д. Не может быть такой ситуации в приведенном примере, когда основание UUC кодирует одну аминокислоту, UCA — другую, а CAU — третью и т. д.
Код универсален, т.е. все живые организмы на планете Земля (включая вирусы) имеют один и тот же код. Рамка считывания определяет положение первого нуклеотида кодона гена (или мРНК). При изучении генетического кода было открыто явление вырожденности кода: часть замещений нуклеотидов в кодоне не меняет характера синтезируемой аминокислоты. Расчеты показали, что до 1 /3 замещений нуклеотидных пар на молекулярном уровне не должны отражаться в изменчивости фенотипа, поэтому не должны бы контролироваться естественным отбором. Наконец, было открыто явление трансдукции – переноса генов от одной бактерии к другой посредством вирусов (бактериофагов); тем самым показано, что некоторые признаки могут передаваться в процессе эволюции у прокариот не только в чреде поколений («вертикально»), но и «горизонтально», от вида к виду.
Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь смысловая, нижняя транскрибируемая).
Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, обозначьте 5’ и 3’ концы этого фрагмента и определите аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет с 5’ конца соответствует антикодону тРНК. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.
Презентация по биологии на тему «Молекулярные свидетельства эволюции «
Описание презентации по отдельным слайдам:
СВИДЕТЕЛЬСТВА ЭВОЛЮЦИИ (Факты, доказывающие эволюционный процесс) Презентация к уроку биологии в 11 классе (по учебнику «Биология. 11 класс : базовый уровень / под ред. Д.К. Беляева и Г.М. Дымшица. – М. : Просвещение, 2018) Автор: Аникеева В.В., учитель биологии гимназии № 6
Единый механизм хранения наследственной информации Для всех живых организмов существует единый генетический код: три нуклеотида (триплет) кодируют одну аминокислоту. В 1968 г. американский ученый Маршалл Ниренберг (1927-2010) за расшифровку генетического кода был удостоен Нобелевской премии.
Медленно изменяются, то есть являются консервативными уникальные гены, кодирующие жизненно важные белки (глобин, цитохром – дыхательный фермент и др.). Некоторые белки вируса гриппа эволюционируют в сотни раз быстрее, чем гемоглобин или цитохром. Благодаря этому к вирусу гриппа не формируется прочный иммунитет. Сравнение аминокислотной последовательности в белках рибосом, последовательности нуклеотидов рибосомных РНК у разных организмов подтверждает классификацию основных групп организмов.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ЛЕТОПИСЬ ЭВОЛЮЦИИ Чем больше поколений отделяет современные виды от их общего предка, тем больше мутаций. Геном вида – генетическая летопись эволюции. Мутация – стойкое изменение генотипа геномные хромосомные генные
Различия аминокислотного состава молекул гемоглобина у представителей разных таксонов Чем дальше разошлись виды, происходящие от общего предка, тем больше у таких видов будут различаться одни и те же белки по аминокислотному составу.
ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ДРЕВО Филогенетическое древо – диаграмма в форме древа, отражающая происхождение видов живых организмов от общего предка. Расшифровка геномов видов животных и растений позволили уточнить филогенетическое древо, построенное на основе морфологических признаков. Так, генетики пересмотрели родину сумчатых. Сравнение не так давно расшифрованных геномов кенгуру и опоссума принесло весьма необычный результат. Германские учёные из Вестфальского университета Вильгельма выяснили, что все сумчатые произошли от предка, который проживал на территории современной Южной Америки.
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс повышения квалификации
Педагогическая деятельность в контексте профессионального стандарта педагога и ФГОС
Курс повышения квалификации
Современные педтехнологии в деятельности учителя
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Номер материала: ДБ-092126
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки
Время чтения: 11 минут
Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки
Время чтения: 11 минут
Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате
Время чтения: 1 минута
В Госдуме проверят содержание учебников русского языка как иностранного
Время чтения: 2 минуты
Петербургский Политех перевел студентов на дистанционку
Время чтения: 1 минута
Итоговое сочинение успешно написали более 97% выпускников школ
Время чтения: 2 минуты
При засыпании человеческий мозг может решать сложные задачи
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.