методы исследования истории развития жизни на земле
История Земли и методы исследования
Историю Земли изучают разнообразными методами. Самый распространенный метод, с помощью которого определяют возраст слоев земли, – радиоизотопный – по периоду радиоактивного полураспада урана, превращающегося в свинец. Очень важными для восстановления истории Земли являются биогенные осадочные породы, состоящие из остатков животных и растительных организмов или продуктов их жизнедеятельности. Более поздние отрезки истории Земли и жизни на ней исследуют по находкам окаменевших организмов или их твердых частей – фрагментов скелета, костей и зубов, дающих возможность восстановить внешний облик растения или животного, установить его систематическую принадлежность, определить возраст и период существования.
История развития Земли. Ученые разделяют историю Земли на длительные промежутки времени – эры. Эры подразделяют на периоды, периоды – на эпохи, эпохи – на века.
1. Архейская
2. Протерозойская
3. Палеозойская
4. Мезозойская
5. Кайнозойская
Выделяют два главных периода: время скрытой жизни, когда эволюционировали одноклеточные организмы, возникли лишенные скелета многоклеточные животные и водоросли; гораздо более короткий период эволюции высших растений и животных с твердым скелетом. Палеонтология – наука об ископаемых организмах.
Развитие жизни в архейскую эру. В архейскую эру появились живые белковые вещества без ядра и оболочки, в виде сгущенных капелек. Они поглощали всем телом растворенные в воде органические вещества, поэтому первые живые организмы считались гетеротрофами. В архейскую эру существовали прокариоты – сине-зеленые водоросли и бактерии, которые не имели выделенного ядра, но они были способны к размножению. Первыми фотосинтезирующими организмами были прокариоты – сине-зеленые водоросли. В атмосферу из океана стал выделяться свободный кислород. Развитие жизни в протерозойскую эру. Самая длительная эра в истории Земли. В этот период появились свободноплавающие и прикрепленные ко дну виды многоклеточных зеленых водорослей. Тело некоторых форм водорослей, прикрепленных ко дну, было разделено на части, из которых в дальнейшем развивались органы. Зеленые водоросли выделяли в атмосферу много кислорода, тем самым способствовали дыханию животных. В протерозойских отложениях найдены в основном морские кишечнополостные, губки, кольчатые черви, моллюски и членистоногих.
Фанерозой (от греч. фаерос – явный и зое – живое существо) – время существования многоклеточных животных и растений. Начался он с появлением огромного количества разнообразных моллюсков и других морских беспозвоночных с твердым панцирем.
Палеозой и Мезозой – в этот исторический промежуток развития Земли произошла интенсивная эволюция многоклеточных животных. В результате появились представители всех современных типов и классов царств животных и растений. Причем эволюция во времени четко шла от примитивных организмов к более сложным. Например, первые хордовые появились в Кембрии, бесчелюстные рыбообразные – в Ордовике, челюстные рыбы и амфибии – в Девоне, рептилии – в Карбоне, примитивные яйцекладущие млекопитающие – в Триасе и птицы – в Юре. Такая же ситуация и с растениями. Первые сосудистые растения появились в Ордовике, древовидные папоротники господствовали на Земле на границе Палеозоя и Мезозоя, расцвет голосеменных – Триасовый и Юрский периоды, а начало расцвета цветковых растений пришлось на Меловой период. Огромное значение в эволюции животных и растений имеет выход живых организмов на сушу в Силуре, когда первопоселенцами стали примитивные сосудистые растения и членистоногие (скорпионы и пауки), а затем в Девоне и Карбоне сушу заселили амфибии и рептилии.
Кайнозой – это время развития современной фауны и флоры. В эту эру максимальное развитие получили млекопитающие, птицы, костистые рыбы, насекомые и цветковые растения. Древняя часть Кайнозоя, или третичный период, – в это время образовались современные семейства и роды птиц и млекопитающих. Современный этап развития Земли – четвертичный период – в это время образовалось большинство современных видов птиц и млекопитающих, появился вид Homo sapiens. Именно поэтому этот период еще называют антропогеном (от греч. антропос – человек и генезис).
История Земли и методы ее изучения. Летопись Земли
Особенности протекания эволюционного процесса в прошлом и настоящем раскрывает палеонтология — наука об ископаемых организмах. Ученые-палеонтологи изучают сохранившиеся отпечатки вымерших организмов на камнях, поэтому геологические слои являются хронологией истории Земли.
Для определения времени ископаемых остатков и остаточных горных пород используется геохронологический метод. Чтобы определить характерные для каждого геологического периода ископаемых растений и животных, составляют шкалу расположения пластов. Возраст Земли устанавливают по распаду радиоактивных изотопов. Зная систему появления организмов и возраст пластов Земли, ученые описали процесс развития жизни на Земле в хронологии (последовательность исторических событий во времени).
История развития Земли. Ученые разделяют историю Земли на длительные промежутки времени — эры. Эры подразделяют на периоды, периоды — на эпохи, эпохи — на века (схема 1).
Схема 1 Геохронологическая летопись Земли (эры, периоды, эпохи, в млн. лет)
Разделение на эры и периоды не случайно. Окончание одной эры и начало другой знаменовалось существенными преобразованиями лика Земли, изменением соотношения суши и моря, интенсивными горообразовательными процессами.
1. Архейская — древнейшая.
2. Протерозойская — первичная
3.Палеозойская — древняя жизнь.
4.Мезозойская — средняя жизнь.
5. Кайнозойская — новая жизнь.
Развитие жизни в архейскую эру.
В архейскую эру небо было окутано плотным черным облаком, сверкали молнии, извергались вулканы. В воздухе отсутствовал кислород, а наличие углекислого газа было неблагоприятно для возникновения жизни. В составе горных пород было много графита. Ученые считают, что графит произошел из остатков органических соединений, входящих в состав живых организмов. Через миллионы лет в теплой воде появились живые белковые вещества без ядра и оболочки, в виде сгущенных капелек. Они поглощали всем телом растворенные в воде органические вещества, поэтому первые живые организмы считались гетеротрофами (питание органическими соединениями). Столбообразные известковые образования, строматолиты (древние осадочные породы), обнаруженные в Канаде, Австрии, Африке, Сибири, на Урале, указывали на наличие синезеленых водорослей и бактерий. В архейскую эру существовали прокариоты — синезеленые водоросли и бактерии. Образование осадочных пород — железа, никеля, марганца — связано с жизнедеятельностью бактерий. Синезеленые водоросли и бактерии не имели выделенного ядра, но они были способны к размножению. Важнейший этап эволюции жизни на Земле связан с возникновением фотосинтеза, что обусловило разделение органического мира на животный и растительный. Первыми фотосинтезирующими организмами были прокариоты—синезеленые водоросли. В атмосферу из океана стал выделяться свободный кислород. Самый крупный ароморфоз в эволюции живой природы — это возникновение процесса фотосинтеза. В конце архейской эры доказательством появления первых колониальных бактерий служили каменные отпечатки, найденные в слоях земли Австралии и Африки.
Развитие жизни в протерозойскую эру.
Самая длительная эра в истории Земли. В этот период появились свободноплавающие и прикрепленные ко дну виды многоклеточных зеленых водорослей. Тело некоторых форм водорослей, прикрепленных ко дну, было разделено на части, из которых в дальнейшем развивались органы. Зеленые водоросли выделяли в атмосферу много кислорода, тем самым способствовали дыханию животных. Особенно массовое распространение получили одноклеточные организмы — бактерии, синезеленые водоросли и ресничные. В протерозойских отложениях найдены в основном морские кишечнополостные, губки, кольчатые черви, моллюски. Кроме того, доказано существование грибов и членистоногих (рис. 38).
Рис. 38. Растения и животные в конце протерозоя: 1 — многоклеточные водоросли; 2 — губки; 3 — медузы; 4 — ползающие кольчатые черви; 5 — сидячие кольчатые черви; 6 — восьмилучевой коралл; 7 — примитивные членистоногие
По найденным породам установлено, что в протерозое в процессе фотосинтеза в воде и атмосфере накапливалось много кислорода.
Летоисчисление. Эра. Период. Эпоха. Век. Архей. Строматолиты. Протерозой.
1.Каменная летопись истории Земли — это геологические пласты.
2.Развитие прокариотов в архейскую эру.
1.Что определяет летопись истории Земли?
2.Сколько существует эр и как они называются?
1.Расскажите о прокариотах, появившихся в архее.
2. Расскажите о животных, обитавших п протерозое.
1.Опишите особенности архейской эры.
2. Какие организмы развивались в протерозое?
Методы исследования истории развития жизни на земле
Понятия о геологических эрах и периодах (эры: 1) архей 3,5 млрд лет назад, начало жизни на Земле; 2) протерозой 2,6 млрд лет назад, появление беспозвоночных животных; 3) палеозой 570 млн лет назад, появляются рыбы; 4) мезозой 230 млн лет назад, появляются рептилии; 5) кайнозой 66 млн лет назад, появляются млекопитающие)
Связь границ между эрами с геологическими и палеонтологическими изменениями
Некоторые важнейшие ароморфозы: фотосинтез, эукариоты, многоклеточные, скелет
Основные таксономические группы растений и животных и последовательность их эволюции:
Филогенез (историческое развитие видов, родов, отрядов, классов, типов)
Онтогенез (индивидуальное развитие организма от момента зарождения до смерти)
Адаптация (приспособление организмов к условиям окружающей среды)
Ароморфоз (приспособление, резко повышающее уровень организации живых организмов, например, появление постоянной температуры тела)
Методы исследования эволюции: палеонтология (ископаемые переходные формы,
палеонтологические ряды, последовательность ископаемых форм)
Методы исследования эволюции: биогеография (сопоставление видового состава с историей территорий, островные формы, реликты)
Методы исследования эволюции: морфологические методы (установление связи между сходством строения и родством сравниваемых форм, рудиментарные органы, атавизмы)
Методы исследования эволюции: эмбриологические методы (зародышевое сходство, принцип рекапитуляции)
Методы исследования эволюции: генетические, экологические, методы биохимии и молекулярной биологии
-05-06. Генетика и эволюция
Генетика (наука о наследственности и изменчивости)
Ген (участок молекулы ДНК, определяющий развитие одного признака, или синтез одного белка)
Аллель (гены, располагающиеся в гомологических хромосомах и отвечающие за развитие одного признака)
Рецессивные и доминантные гены (доминантные гены подавляют проявление рецессивных генов) Гомозиготы (клетки, содержащие одинаковые гены данной аллельной пары (АА или аа)) гетерозиготы (клетки, содержащие различные гены данной аллельной пары (Аа))
Геном (совокупность генов, содержащихся в данной растительной или животной клетке)
Генотип (совокупность всех генов конкретного организма)
Фенотип (совокупность всех признаков и свойств организма)
Свойства генетического материала: дискретность, непрерывность, линейность, относительная стабильность
Изменчивость: наследуемая (генотипическая, мутационная)
Изменчивость: ненаследуемая (фенотипическая, модификационная)
Виды мутаций: генные (изменения структуры ДНК в пределах одного гена), хромосомные (изменения структуры хромосом), геномные (изменения числа хромосом)
Свойства мутаций: случайность, внезапность, ненаправленнность, неоднократность и наследуемость
Тема 5.5. История жизни на Земле и методы исследования эволюции (эволюция и развитие живых систем)
OОсновные понятия
Понятия о геологических эрах и периодах
Связь границ между эрами с геологическими и палеонтологическими изменениями
Некоторые важнейшие ароморфозы: фотосинтез, эукариоты, многоклеточные
Основные таксономические группы растений и животных и последовательность их эволюции:
Понятие о флоре, фауне
Методы исследования эволюции: палеонтология (ископаемые переходные формы,
палеонтологические ряды, последовательность ископаемых форм)
Методы исследования эволюции: биогеография (сопоставление видового состава с историей территорий, островные формы, реликты)
Методы исследования эволюции: морфологические методы (установление связи между сходством строения и родством сравниваемых форм, рудиментарные органы, атавизмы)
Методы исследования эволюции: эмбриологические методы (зародышевое сходство, принцип рекапитуляции)
Методы исследования эволюции: генетические, экологические, методы биохимии и молекулярной биологии
Весь период развития органического мира на Земле длится около 4-5 млрд. лет.
Этапы развития жизни на Земле
Тема 5.6. Генетика и эволюция
OОсновные понятия
Генетика. Ген. Аллель. Рецессивные и доминантные гены. Гомозиготы, гетерозиготы.
Хромосомы. Геном. Генотип. Фенотип.
Свойства генетического материала: дискретность, непрерывность, линейность, относительная стабильность. Изменчивость наследуемая (генотипическая, мутационная) и ненаследуемая (фенотипическая, модификационная). Свойства мутаций.
& Краткое содержание
С точки зрения микродинамического подхода, интерпретация природы любых биологических явлений должна проводиться на основе генных механизмов, осуществляемых посредством нуклеиновых кислот, ДНК и РНК.
Центральным понятием генетики является ген. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка и называется геном. Это элементарная единица наследственности, которая характеризуется рядом признаков:
— по своему уровню ген — внутриклеточная молекулярная структура;
— по химическому составу — нуклеиновые кислоты, в которых основную роль играют элементы азот и фосфор;
— гены располагаются, как правило, в ядрах клеток.
— они есть в каждой клетке, поэтому их общее количество может достигать многих миллиардов;
— по своей роли в организме гены представляют своего рода «мозговой центр» клетки.
Таким образом, в ДНК заключена вся информация о структуре и деятельности клеток, обо всех признаках каждой клетки и организма в целом.
Основные генетические механизмы:
· транскрипция – биосинтез РНК на матрице ДНК;
· репарация – ликвидация повреждения генетических структур – ДНК, хромосом; процесс, направленный против мутаций. Свойственна всем живым организмам.
· репликация (редупликация) – самоудвоение молекулы ДНК;
· рекомбинация ДНК – появление новых сочетаний генов, ведущее к новым комбинациям признаков у потомства. Универсальный механизм, свойственный всему живому.
Концепция генетического кода Г.А. Гамова (1954 г):
1) жизнедеятельность клетки определяется набором в ней белков, которые состоят всего из 20 аминокислот.
С этим фактом Гамов сопоставил
2) состав молекулы ДНК, вариабельный аспект которой определяют четыре нуклеотида (А, Т, Г и Ц).
Гамов выдвинул идею: генетический код должен переводить четырехбуквенный текст ДНК в двадцатибуквенный текст белков.
Гамов предположил, что, реализуя генетический код, природа действует в экономнейшей манере, а именно: с белками сопоставляются триплеты нуклеотидов – кодоны.
Гипотеза Гамова была подтверждена экспериментально через 7 лет после ее выдвижения.
Генетический код обладает следующими характерными особенностями:
· код триплетен – последовательность трех нуклеотидов определяет одну аминокислоту. Эта последовательность называется кодоном. Из четырех нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида в каждой, т.е. 64 кодона.
· код однозначен – каждый триплет определяет одну и ту же аминокислоту;
· между генами имеются «знаки препинания». Ими являются три кодона, которые не используются для кодирования аминокислот. Они несут информацию о конце одного кодона и начале следующего в том случае, если и-РНК несет информацию о нескольких генах.
· для 18 из 20 аминокислот код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном (от двух до шести кодонов на одну аминокислоту). На кодирование всех 20 аминокислот используется 61 кодон из 64-х.
· код универсален, он у всех организмов один и тот же.
Признаки и свойства организма, передающиеся по наследству, фиксируются в генах. Совокупность всех признаков организма – фенотип. Совокупность всех генов одного организма – генотип. Фенотип – результат взаимодействия генотипа и окружающей среды.
В основу генетики были положены законы наследственности, обнаруженные австрийским ученым Грегором Менделем при проведении им опытов по скрещиванию различных сортов гороха. Скрещивание двух организмов называется гибридизацией, потомство от скрещивания двух особей с разной наследственность – гибридным, а отдельная особь — гибридом. В результате этих исследований Менделем были открыты количественные закономерности наследования признаков.
Следующим важным этапом в развитии генетики стало открытие в 30-х годах XX века роли ДНК в передаче наследственной информации. В ходе исследований было установлено, что основная функция генов заключается в кодировании синтеза белков.
В последнее время в изучении механизмов работы системы воспроизведения достигнуты крупные успехи. Но ещё остаётся вопрос: как могли в ходе химической эволюции сложиться из неживого вещества такие высокоупорядоченные, тонко подогнанные системы, какими являются системы обмена веществ и воспроизведения.
Действительно, история появления и развития живого не менее удивительна, чем история возникновения и развития Вселенной. В рамках современного научного мировоззрения – жизнь на Земле есть системное общепланетное явление, корни которого уходят в историю Вселенной.
Если рассматривать жизнь как самоорганизацию вещества, то переход к ней мог произойти в условиях, когда открытая система, предшествующая живой материи, находилась в крайне неравновесном, критическом состоянии.
В развитии биологической науки установление структуры ДНК и механизма передачи наследственной информации сыграло огромную роль. Теперь можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике – открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК привело к рождению новой, молекулярной биологии. Но на этом параллель не заканчивается. Чисто теоретические, фундаментальные исследования атома позволили человеку овладеть практически неисчерпаемым источником энергии. Развитие молекулярной биологии открыло в последние годы возможность неслыханным образом вмешиваться в свойства живой клетки, направленно изменять наследственность. Это, безусловно, окажет в будущем не менее радикальное воздействие на жизнь людей, чем овладение энергией атомного ядра.
Дата добавления: 2015-04-05 ; просмотров: 98 ; Нарушение авторских прав
ИСТОРИЯ ЗЕМЛИ И МЕТОДЫ ЕЕ ИЗУЧЕНИЯ
Картину эволюционного процесса от его начала до наших дней воссоздает наука о древней жизни палеонтология. Ученые-палеонтологи прослеживают отдаленные во времени эпохи по окаменевшим остаткам организмов прошлого, сохранившимся в земных пластах. Геологические пласты, поэтому, можно образно назвать страницами и главами каменной летописи истории Земли. Но можно и точно определить их возраст, а вместе с тем и возраст ископаемых остатков, заключенных в этих пластах?
Методы геохронологии. Существуют разнообразные методы определения возраста ископаемых остатков и слоев горных пород. Все они делятся на относительные и абсолютные. Методы относительной геохронологии исходят из представления о том, что более поверхностный слой всегда моложе лежащего под ним. Учитывается и тот факт, что для каждой геохронологической эпохи характерен свой определенный облик – специфический набор животных и растений. На основании изучения последовательности напластования слоев геологического разреза составляется схема расположения слоев (стратиграфическая карта) данного района. Палеонтологические данные позволяют выявить одинаковые или близкие вида в слоях различных геологических разрезов разных стран и континентов. На основании сходства ископаемых форм делается вывод о синхронности слоев, содержащих так называемые руководящие ископаемые, т.е. об их принадлежности к одному и тому же времени.
Методы абсолютной геохронологии основывается на естественной радиоактивности некоторых химических элементов. Впервые предложил использовать это явление как эталон времени Пьер Кюри. Строгое постоянство скорости радиоактивного распада привело к мысли о разработке единой точной хронологической шкалы истории Земли. Позже этот вопрос разрабатывали Э. Резерфорд и другие ученые.
В зависимости от конечного продукта радиоактивного распада разработаны и другие методы изотопной геохронологии: гелиевый, углеродный, калий-аргоновый.
Для определения геологического возраста до 50 тысяч лет широко применяется радиоуглеродный метод. Он основан на том, что под действием космической радиации в атмосфере Земли азот превращается в радиоактивный изотоп углерода 14 С, с периодом полураспада 5750 лет. В живых организмах вследствие постоянного обмена со средой концентрация радиоактивного изотопа углерода постоянна, тогда как после смерти и прекращения обмена веществ радиоактивный изотоп 14 С начинает разлагаться. Зная период полураспада, можно весьма точно определить возраст органических остатков: угля, веток, торфа, костей. Этим методом датируются эпохи оледенения, этапы человеческой цивилизации и т.д.
В последние годы успешно разрабатывается дендрохронологический метод. Изучив влияние погодных условий на прирост годичных колец на древесине, биологи выяснили, что чередование колец низкого и высокого прироста дает неповторимую картину района, можно с точностью до года датировать любой кусок древесины. Таким образом, например, советские археологи точно датируют возраст древесины, использовавшейся на строительство древнего Новгорода.
Подобно годичным кольцам деревьев, отражают суточные, сезонные и годовые циклы линии роста кораллов. У этих морских беспозвоночных внешняя часть скелета покрыта тонким известковым слоем, называемым эпитекой. При хорошей сохранности на эпитеке видны четкие кольца – результат периодического изменения скорости отложения карбоната кальция. Эти образования группируются в пояса. Американский палеонтолог Дж.Уэлс доказал (1963), что кольцевые линии и пояса на эпитеке кораллов представляют собой суточные и годовые образования. Исследуя современные виды рифообразующих кораллов, он насчитал в их годовом поясе около 360 линий, т.е. каждая линия соответствовала приросту за один день. Интересно, что у кораллов, живших примерно 370 млн лет назад, в годовом поясе насчитывается от 385 до 399 линий. На основании этого Дж. Уэллс пришел к заключению, что количество дней в году в то далекое геологическое время было больше, чем в нашу эпоху. Действительно, как показывают астрономические вычисления и палеонтологические данные, Земля вращалась быстрее и продолжительность суток, поэтому, составляла примерно 22 часа. Зная последовательность появления тех или иных организмов и возраст различных слоев земной коры, ученые в общих чертах составили хронологию истории нашей планеты и описали развитие жизни на ней.
Календарь истории Земли. История Земли разделяется на длительные промежутки времени – эры. Эры подразделяются на периоды, периоды на эпохи, эпохи на века.
Разделение на эры и периоды не случайно. Окончание одной эры и начало другой знаменовалось существенными преобразованиями лика Земли, изменением соотношений суши иморя, интенсивными горообразовательными процессами.