Теория эволюции в биологии (лекция 1)

1.

Теория эволюции
в биологии
Miller, J.D., Scott, E. C., & Okamoto, S. (2006).
Public Acceptance of Evolution. Science,313
(5788), 765-766

2.

Теория эволюции
в биологии
А.В. Яблоков, А.Г. Юсуфов, 2006, Эволюционное учение
Джордж, Э. (Ред.) 2020, Эволюция. От Дарвина до современных теорий. (New Scientist,
2017).
Инге-Вечтомов, С. 2010. Генетика с основами селекции: учебник для студентов высших
учебных заведений.
Еськов, К.Ю. 2008, Удивительная палеонтология. История Земли и жизни на ней.
Жуков, Б. 2020, Дарвинизм в XXI веке.
Wuketits, F.M., Ayala, F.J. (Eds) 2005 Handbook of Evolution Volume 2: The Evolution of
Living Systems (Including Hominids).
Futuyma, D.J. 2005, Evolution.
- Noble, D. 2017. DANCE TO THE TUNE OF LIFE. Biological Relativity.
- Rieppel, O. 1988. Fundamentals of Comparative Biology.

3.

Теория эволюции
в биологии
Необходимые термины и понятия для
всего курса
Аминокислоты
Репликация ДНК
Белки
Рибосомы
Генетический код
РНК
ДНК
Сплайсинг
Кроссинговер
Транскрипция
Мейоз
Трансляция
Мембрана
Ферменты
Митоз
Фотосинтез
Митохондрии
Хромосомы
Нуклеотиды
Экспрессия гена
Пластиды
Эукариотическая
Прокариотическая клетка
клетка
К следующей лекции
Что такое:
Учебник: Жукова, А. Г., Кизиченко, Н. В., Горохова, Л. Г.
2018. Молекулярная биология : учебник с упражнениями и
задачами. Москва ; Берлин : Директ-Медиа
Онтогенез
Филогенез
Таксономия
Филогенетическая
систематика
Гомология

4.

Теория эволюции
в биологии
- Теория эволюции
- Биологическая эволюция

5.

Теория эволюции
в биологии
Evolutio (лат.) – разворачивать (свиток),
разматывать (например, нить)

6.

Evolutio (лат.) – разворачивать
(свиток), разматывать
(например, нить)
Шарль Бонне: «эволюция» процесс эмбрионального
развития (1762 г.)
Charles Bonnet
(1720-1793)

7.

Эпигенез и преформизм
Эпигенез: части зародыша
формируются de novo по мере
развития из первоначально
гомогенного материала .
"These homogeneous parts are not made from
heterogeneous or dissimilar elements united
together, but they arise by way of generation
from similar or homogeneous material, and are
differentiated and made dissimilar» (1651)
Charles Bonnet
(1720-1793)
William Harvey
(1578 –1657)

8.

Преформизм:
все органы
животного в виде
зачатков
находятся
в яйцеклетке или
сперматозоиде.
Эмбриональное
Charles Bonnet
развитие – это в
(1720-1793)
основном рост этих
зачатков, ничего нового в
процессе развития не возникает.

9.

«Эволюция - это интеграция
материи, в ходе которой материя
переходит от неопределенной,
бессвязной однородности к
определенной, связной
неоднородности».
(Development Hypothesis, 1852).
«Естественный отбор – выживание
наиболее приспособленных»
- Естественный отбор = выживание
наиболее приспособленных
- Наиболее приспособленные = те, кто
выживают
- Естественный отбор = выживание
тех, кто выживает
Herbert Spencer (1820-1903)

10.

“changes in the properties of groups of organisms over the
course of generations” (Futuyma 2005),
“changes in allele frequencies over time” (Freeman and
Herron 2007).
'the process of continuity of life with constant modifications.'
(Organic evolution, 13 edition)
‘Transformation of species through time, including both
changes that occur within species, as well as the origin of new
species’. (The Princeton Guide to Evolution, 2014)

11.

Уровни организации (иерархия) живого
Макромолекулы
Клеточные органеллы
Клетки
Ткани
Органы
Организмы
Популяции
Экосистемы
Биосфера

12.

Темпы и механизмы эволюции на каждом
уровне разные
Hox-гены человека и
дрозофилы сходны по составу
(гомологичны) и выполняют
похожие функции.
Deep Homology? Uncanny Similarities of
Humans and Flies Uncovered by EvoDevo

13.

«Поломка» генов Pax 6 у млекопитающих, рыб и дрозофилы вызывает
сходные эффекты.
Ey-/-
WT
Drosophila
Merks, 1997 The molecular Bauplan

14.

Мышииный ген small eye (аллель гена Pax 6) вызывает развитие
эктопических глаз у дрозофилы
Эктопический глаз
Onuma et al., 2002

15.

Макромолекулы
Клеточные органеллы
Клетки
Ткани
Органы
Организмы
Популяции
Экосистемы
Биосфера
Эволюция китообразных
Уровни организации (иерархия) живого

16.

Уровни организации (иерархия) живого
Макромолекулы
Клеточные органеллы
Клетки
Ткани
Органы
Организмы
Популяции
Экосистемы
Биосфера
Эволюция конечности тетрапод

17.

Паттерны и процессы
Эволюционный ряд конечности
лошадей (по О.Ковалевскому)
Паттерн эволюции конечностей
тетрапод

18.

Паттерны и процессы
A
C
Время
B
E
D
F
G

19.

Паттерны и процессы
A
C
Время
B
E
D
F
G

20.

Паттерны и процессы
A
C
B
E
D
F
G

21.

Уровни организации (иерархия) живого
Макромолекулы
Клеточные органеллы
Клетки
Ткани
Что является единицей
Органы
Организмы
эволюции?
Популяции
Экосистемы
Биосфера

22.

Эволюция звезды
Эволюция живой системы

23.

Процесс самокопирования принято называть
репликацией (replicatio - «возобновление,
повторение»), а способные к этому системы репликаторами
Каталитическая реакция
1)H2O2 + I => H2O + IO
2)H2O2 + IO =>H2O+ O2+I
Автокаталитическая
реакция
[X]→ [Y]+2Р
2MnO4− + 5C2O42− + 16H+ = 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O
Изменение
скорости
автокатализа

24.

Необходимые и достаточные условия эволюции
(по Р. Левонтину, 1970):
- Способность к репликации
- Репликация не 100% точная (изменчивость)
- Варианты репликации наследуются (наследственность)
- Отбор способен различать разные варианты репликации
Репликаторы (по E. Szathmáry):
- целостные (holistic) – «все или ничего»
- модульные (modular) – могут ошибаться
Один из вариантов модульных репликаторов –
матричный репликатор.

25.

Уровни организации (иерархия) живого
Макромолекулы (ДНК, РНК)
Гены
Клеточные органеллы
Клетки
Ткани
Органы
Биологическая эволюция –
Организмы
происходящий в череде
поколений необратимый
Популяции
процесс изменения свойств
Экосистемы
биологических репликаторов
Биосфера

26.

Теория биологической эволюции?
Ernst Mayr: Дарвинизм – не одна теория, а 5 отдельных теорий:
1. Эволюция как таковая (трансформация организмов, descent with
modification)
2. Общность происхождения (общий предок и дивергенция)
3. Градуализм (эволюция идет медленно и постепенно, нет
крупномасштабных изменений, скачков)
4. Бесконечное возникновение новых видов
5. Естественный отбор как универсальный механизм
(Mayr, E. (1942) Systematics and the Origin of Species
from the Viewpoint of a Zoologist)
1. Синтетическая теория эволюции (неодарвинизм + генетика)
2. Эпигенетическая теория эволюции
3. Cognition Based Evolution

27.

Зачем нужно изучать эволюцию?
Nothing in Biology Makes Sense E
xcept in the Light of Evolution
Dobzhansky, T. (1973). American Biology
Teacher, 35:125-129.
Theodosius Dobzhansky (1900-1975)

28.

Зачем нужно изучать эволюцию?
Эволюционная химия
«Биологизация» физики (Красилов)
Teilhard de Chardin
(1881- 1955)
"Является ли эволюция теорией, системой или гипотезой? Это гораздо больше. Это общий
постулат, которому должны подчиняться все теории, все гипотезы, все системы. Постулат, к
которому все теории, все гипотезы, все системы должны отныне склоняться и которому они
должны удовлетворять, чтобы быть мыслимыми и истинными. Эволюция - это свет,
освещающий все факты, траектория, по которой должны двигаться все линии мысли. Вот
что такое эволюция".
Пьер Тейяр де Шарден,

29.

Откуда что берется
Человек
Рептилии
Млекопитающие

30.

Откуда что берется

31.

Эволюция и медицина

32.

Число инфецированных ВИЧ на 2009 г.

33.

Механизм заражения клетки вирусом
(1) Вирион ВИЧ встречается с клеткой-хозяином (хелперным Т-лимфоцитом). (2)
Поверхностный белок ВИЧ (gp120) связывается с CD4 и корецептором (обычно CCR5)
хозяина. (3) Вирион сливается с мембраной, РНК и ферменты ВИЧ выливаются в
цитоплазму. (4) Обратная транскриптаза ВИЧ синтезирует из РНК ДНК. (5) Интеграза ВИЧ
встраивает ДНК ВИЧ в геном хозяина. (6) РНК-полимераза хозяина транскрибирует с ДНК
ВИЧ мРНК ВИЧ. (7) Рибосомы хозяина строят по мРНК ВИЧ белки ВИЧ. (8) Новое
поколение вирионов собирается на мембране клетки-хозяина. (9) Новые вирионы
отпочковываются от мембраны клетки-хозяина. (10) Фермент протеаза ВИЧ обеспечивает
созревание вирионов.

34.

Механизм иммунного ответа

35.

В чем коварство ВИЧ
Для прикрепления к клетке ВИЧ необходим рецептор
CD4 и корецептор CCR5.

36.

Как ВИЧ вызывает СПИД?
Острый период: кол-во ВИЧ растет, Т-лимфоциты справляются
Хронический период: ВИЧ поражает клетки слизистой пищеварительного
тракта. Бактерии попадают в кровь и стимулируют иммунный ответ. Кол-во Тлимфоцитов растет, давая пищу ВИЧ, и затем падает.
СПИД – разрушение Т-лимфоцитов и коллапс иммунной системы.

37.

Как бороться?
тимидин
азидотимидин

38.

Как ВИЧ борется с азидтимидином
Обратная транскриптаза
научилась распознавать
«фальшивый» тимидин и
убирать его из цепочки
репликации ДНК. Как это
произошло?
В организме пациентов с ВИЧ образуются тысячи новых
вирионов. Среди них появляются варианты, у которых
мутантная обратная транскриптаза устойчива к
азидотимидину. Такие варианты быстро вытесняют тех, кто
неустойчив. Это и есть эволюция под действием
естественного отбора.
Результат эволюции: устойчивость к азидотимидину

39.

Что делать?
Обратная транскриптаза
научилась распознавать
«фальшивый» тимидин и
убирать его из цепочки
репликации ДНК.
В организме пациентов с ВИЧ образуются тысячи новых
вирионов. Среди них появляются варианты, у которых
мутантная обратная транскриптаза устойчива к
азидотимидину. Такие варианты быстро вытесняют тех, кто
неустойчив. Это и есть эволюция под действием
естественного отбора.
Результат эволюции: устойчивость к азидотимидину